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
- Двойное мульчирование при нулевой обработке почвы способствует росту корней кукурузы и повышает урожайность за счёт оптимизации гидротермических условий почвы в полузасушливых регионах
- Молекулярные механизмы и потенциал улучшения сельскохозяйственных культур РНК N 6 -метиладенозина в растениях
- Совместное влияние различных режимов орошения и способов внесения азотных удобрений на изменение массы зерна после цветения
- Экологический типинг для адаптации ярового ячменя в Северо-Западной Европе
- Влияние лесопастбищ, пастбищных деревьев и линейных систем агролесоводства на продуктивность сельского хозяйства
- Технология ультрафиолетового облучения семян кукурузы и сои
- Оценка кукурузы для определения приоритетов сбора урожая
- Выработка сухого вещества после цветения и распределение азота в листьях связаны с градиентом цитокинов, вырабатываемых корнями риса
- Влияние засухи на кукурузу и сою
- Самоочищающийся наногербицид: разработка нановекторов с тройной структурой для борьбы с сорняками и обработки остатков пестицидов
- Измерение и экономия оросительной воды
- Цианобактерия: микроорганизмы, которые улучшают рост растений
- Эффективное использование водных ресурсов в условиях дефицита: Мульчирование полиэтиленовой плёнкой как решение
- Прямое внесение удобрений – прорыв
- Создание системы редактирования генома для получения ароматной зародышевой плазмы сахарного сорго
- Оценка влажности почвы на разных глубинах на кукурузных полях с использованием модели, учитывающей растительный покров: сочетание данных RGB-тепловизора и машинного обучения
- Инновационные подходы к проектированию микробиома семян для повышения урожайности
- Нитрификация и денитрификация
- Взаимодействие температуры и режима полива при формировании репродуктивной урожайности и качества семян рапса
- Эрукамид: специальное средство биологической борьбы с бактериальными заболеваниями растений, нацеленное на T3SS
- Исследование гомозиготных мутантных популяций ячменя: достижения и перспективы