Редактирование генома для получения биоактивной сои с минимальным компромиссом между низким содержанием фитиновой кислоты и урожайностью
Исследование снижения фитиновой кислоты в соевых бобах с использованием CRISPR/Cas9
Фитиновая кислота (ФК), содержащаяся в семенах зерновых культур, значительно снижает биодоступность питательных элементов для моногастричных животных, что делает её важным объектом для исследования в контексте биофортификации семян. Одной из ключевых задач является снижение содержания ФК в семенах, и в этом исследовании была применена система редактирования генома CRISPR/Cas9 для создания популяции мутантов, нацеленных на гены, отвечающие за биосинтез и транспорт ФК.
1. Цели исследования
Целью данного исследования было создание новых мутантных сортов сои с низким содержанием фитиновой кислоты (lpa) с минимальными компромиссами в отношении агрономических показателей. Исследование сосредоточилось на редактировании генов, отвечающих за биосинтез и транспорт фитиновой кислоты, в частности, двух белков, устойчивых к множественным лекарственным препаратам (MRP5) и трёх инозитол-пентозофосфат-киназ (IPK1).
2. Генетические мишени
В ходе работы были охарактеризованы гены семейства GmIPK1 и GmMRP5, которые экспрессируются в семенах сои. Были идентифицированы три гомолога GmIPK1:
- GmIPK1a (Glyma.14G072200)
- GmIPK1b (Glyma.04G030000)
- GmIPK1c (Glyma.06G030100)
Также были выявлены два гена GmMRP5:
- GmMRP5a (Glyma.03G167800)
- GmMRP5b (Glyma.19G169000)
3. Создание конструкций для редактирования
Для редактирования генома были созданы две конструкции с использованием вектора pGES401:
- KO-PA-V1, нацеленная на гены IPK1
- KO-PA-V2, нацеленная на гены MRP5
4. Трансформация и отбор мутантов
Для проверки потенциала мультиплексных мутантов в снижении содержания фитиновой кислоты (PA) были трансформированы конструкции KO-PA-V1 и KO-PA-V2 с помощью метода объединённой трансформации. Среди 35 трансгенных линий T0 были выявлены:
- 8 растений только с KO-PA-V1
- 17 растений только с KO-PA-V2
- 10 растений с обеими конструкциями
Из этих линий были выделены различные типы мутантов, содержащие мутации в генах GmIPK1 и GmMRP5.
5. Характеризация мутантов
В потомстве T2 были получены и исследованы несколько гомологичных мутантов с различными мутациями, включая:
- Одиночные мутанты:
- gmipk1b194D (lpa-1)
- gmipk1c1I (lpa-2)
- gmmrp5b4D (lpa-3)
- Двойной мутант:
- gmmrp5a1I/gmmrp5b4D (lpa-4)
- Тройной мутант:
- gmipk1a1I/gmmrp5a703D/gmmrp5b4D (lpa-5)
- Четверные мутанты:
- gmipk1b1I/gmipk1c1I/gmmrp5a703D (lpa-6)
- gmipk1a1I/gmipk1b1I/gmmrp5a1I/gmmrp5b4D (lpa-7)
6. Анализ агрономических показателей
Линии с мультиплексными мутациями продемонстрировали значительно сниженное содержание PA, но также показали низкие агрономические показатели. В отличие от них, отдельные мутанты в генах ipk1b и ipk1c продемонстрировали умеренно сниженное содержание PA и нормальные агрономические показатели по сравнению с диким типом. Это указывает на то, что редактирование отдельных генов GmIPK1 является более оптимальной стратегией для получения сои с низким содержанием фитиновой кислоты, чем мультиплексный мутагенез.
7. Прогнозируемые побочные эффекты
Дополнительно был проведён анализ на предмет наличия побочных мутаций среди линий T2. Результаты показали отсутствие побочных мутаций, что подтверждает безопасность и эффективность использованной технологии редактирования.
Данное исследование демонстрирует возможность создания новых сортов сои с низким содержанием фитиновой кислоты с использованием CRISPR/Cas9. Умеренное снижение фитиновой кислоты через нацеливание на отдельные гены GmIPK1 позволяет достичь оптимального баланса между снижением содержания фитиновой кислоты и сохранением агрономических характеристик, что может привести к созданию более питательных и экологически устойчивых сортов сои.
Исследование:
aBIOTECH
- Совместное выращивание зерновых культур с сидератами при пониженном содержании химического азота в почве увеличивает запасы почвенного углерода за счет оптимизации структуры почвы в оазисных орошаемых районах
- Экологический типинг для адаптации ярового ячменя в Северо-Западной Европе
- Генетика сорняков: изучение генетических особенностей сорняков для улучшения сельскохозяйственных культур
- Идентификация длинных инсерций и делеций с помощью повторного секвенирования всего генома для точной картирования qIF05-1 содержания изофлавонов в семенах сои
- Адаптивная стратегия посева для улучшения показателей налива зерна и водопотери при выращивании кукурузы под пленочным мульчированием
- Азот: фундаментальный элемент жизни растений. Структура, источники и динамика в почве.
- Эрукамид: специальное средство биологической борьбы с бактериальными заболеваниями растений, нацеленное на T3SS
- Подкормка кукурузы. Сроки и способы их внесения
- Анализ качества зерна на ходу
- Эффективное использование калия для устойчивого производства сельскохозяйственных культур с учётом его содержания в почве
- Технология ультрафиолетового облучения семян кукурузы и сои
- Длительное внесение навоза в почву снижает выбросы N2O из кислых почв за счет уменьшения подкисления и увеличения минерализации азота
- Оптимизация подачи воды и азота для повышения урожайности кукурузы
- Создание системы редактирования генома для получения ароматной зародышевой плазмы сахарного сорго
- RING-доменная убиквитинлигаза E3 OsRGLG6 регулирует количество зёрен и урожайность риса посредством опосредованной убиквитинированием деградации OsOTUB1
- Профиль интенсивности осадков вызывает изменения в поверхностном и подземном стоке и потере почвы в зависимости от типа растительного покрова
- Почему вы видите закопченную плесень на мелких зернах?
- Цитогенетическая характеристика и разработка молекулярных маркеров новой дисомной линии пшеницы Thinopyrum ponticum 5E (5D) с устойчивостью к мучнистой росе и линейной ржавчине
- Техническое исследование эффективности и моделей методов борьбы с сорняками с использованием беспилотных наземных транспортных средств
- Взаимодействие температуры и режима полива при формировании репродуктивной урожайности и качества семян рапса
- Оптимальное внесение азотных и калийных удобрений повышает устойчивость стебля к полеганию и урожайность масличного льна за счет усиления биосинтеза лигнина.