先导编辑高效地在玉米两个ALS基因中产生W542L和S621I双突变

Prime editing efficiently generates W542L and S621I double mutations in two ALS genes in maize

作者信息Yuan-Yuan Jiang, Yi-Ping Chai, Min-Hui Lu, Xiu-Li Han, Qiupeng Lin, Yu Zhang, Qiang Zhang, Yun Zhou, Xue-Chen Wang, Caixia Gao, Qi-Jun Chen
PMID33023639
发布时间2020-10-06
DOI10.1186/s13059-020-02170-5

实验完整度

高

包含载体构建、玉米稳定转化、直接测序、克隆测序、NGS等多个独立验证层级,并进行了功能验证(除草剂抗性相关突变)和机制验证(pegRNA表达策略比较)。

主要模型

玉米自交系ND73(B73衍生系) 水稻原生质体瞬时表达系统

重点核对

玉米转化使用农杆菌菌株LBA4404/pVS1-VIR2(三元载体系统) 转化受体为玉米自交系ND73 通过直接测序、克隆测序和NGS(Hi-TOM,阈值0.5%)检测突变 水稻原生质体转染采用PEG介导方法,孵育条件为26°C,48小时

摘要

先导编辑是一种新近发展的新型通用CRISPR/Cas衍生精准基因组编辑技术。然而,先前在转基因水稻品系中的研究显示先导编辑效率较低。我们假设增强pegRNA表达能够提高先导编辑效率。在本报告中,我们描述了两种增强pegRNA表达的策略。我们构建了一个携带两种pegRNA变体的先导编辑载体,用于在ZmALS1和ZmALS2中产生W542L和S621I双突变。与水稻中先前报道相比,我们在玉米中实现了更高的先导编辑效率。我们的结果鼓舞人心,并为植物先导编辑器的优化提供了方向。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
如何提高植物先导编辑的效率,并在玉米中高效产生ALS基因的特定突变。
核心机制
增强pegRNA表达(特别是通过CaMV35S-CmYLCV-U6复合启动子)可显著提高先导编辑效率;pegRNA支架衍生副产物可通过设计终止信号规则减少。
主要证据
在玉米中,使用增强pegRNA表达的pZ1WS载体,转化62个T0系,33个(53.2%)和4个(6.5%)分别携带S621I和W542L突变,3个(4.8%)系携带纯合S621I或S621I/W542L双突变;水稻原生质体实验表明复合启动子策略提升了3/4的pegRNA编辑效率。
研究意义
本研究为植物先导编辑器的优化提供了新的参考标准,并可用于培育无转基因的玉米品系,携带ALS基因的W542L和S621I双突变,赋予多种ALS抑制剂类除草剂的抗性。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

载体构建与策略设计

构建用于产生P165S或W542L/S621I突变的先导编辑载体,并比较不同pegRNA表达增强策略

利用分子克隆技术构建了多种先导编辑载体:pZ1PE3和pZ1PE3b用于P165S突变;pZ1WS和pZ1WS-Csy4用于W542L/S621I双突变;p4xZ1PE3-Csy4和p4xZ1PE3b-Csy4作为对照。增强表达策略包括加倍pegRNA表达盒数量、使用双启动子系统(聚合酶II的35S增强子-CmYLCV和聚合酶III的缩短U6-26)驱动pegRNA表达,以及使用tRNA、核酶和Csy4 RNA加工系统。

2

玉米稳定转化

将先导编辑载体导入玉米基因组,产生转基因植株

将六个PE载体(pZ1PE3, pZ1PE3b, p4xZ1PE3-Csy4, p4xZ1PE3b-Csy4, pZ1WS-Csy4, pZ1WS)分别转化为农杆菌菌株LBA4404/pVS1-VIR2,然后用这些菌株转化玉米自交系ND73,按已发表的方案进行。

3

突变检测与效率分析

检测转基因植株中目标位点的突变,评估先导编辑效率

从转基因植株基因组DNA中PCR扩增目标片段,进行直接测序、克隆测序和NGS(Hi-TOM,阈值0.5%)分析。统计携带目标突变的植株比例,并分析副产物类型和频率。

4

水稻原生质体验证

验证两种增强pegRNA表达策略的独立贡献

构建了7个水稻先导编辑器,通过PEG介导转染水稻原生质体,孵育48小时后提取基因组DNA,扩增目标片段进行深度测序,每个目标位点重复三次。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

验证样本或模型特征
验证分子表达变化
数据分析与统计

产品清单

实验环节名称品牌货号
pGreen3双元载体----
pCambia双元载体----
pUC57----
农杆菌菌株LBA4404----
pVS1-VIR2----
Sanger测序----
Hi-TOM检测----

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
玉米转化
农杆菌菌株(LBA4404/pVS1-VIR2)和玉米自交系ND73
阅读提示:Methods: Maize transformation and analysis of prime editing
突变检测
PCR引物(ALS1&2P-F/R, ALS1&2WS-F/R等)、测序方法(直接、克隆、NGS)、克隆数(~86或~106)、NGS阈值(0.5%)
阅读提示:Methods: Maize transformation and analysis of prime editing
水稻原生质体转染
PEG介导转染、26°C孵育48小时、每个目标位点重复三次
阅读提示:Methods: Rice protoplast transfection and analysis of prime editing