CRISPR/Cas9 mediated mutagenesis of MORE AXILLARY GROWTH 1 in tomato confers resistance to root parasitic weed Phelipanche aegyptiaca
- 作者
- Vinay Kumar Bari, Jackline Abu Nassar, Radi Aly
- 杂志
- Scientific Reports（2021）
- DOI
- 10.1038/s41598-021-82897-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
根寄生杂草Phelipanche aegyptiaca严重危害番茄等经济作物，缺乏有效防控方法；需要开发新的生物技术手段抑制寄生杂草种子萌发，减少作物产量损失。
研究策略
利用CRISPR/Cas9系统靶向编辑番茄独脚金内酯（SL）生物合成关键基因MAX1的第三外显子，降低SL（orobanchol）含量，从而抑制P. aegyptiaca种子萌发并赋予番茄抗性。
核心内容
该研究利用CRISPR/Cas9系统靶向编辑番茄独脚金内酯生物合成关键基因MAX1的第三外显子，以期抑制埃及列当（Phelipanche aegyptiaca）种子萌发并赋予番茄抗性。在T0代5个独立转基因系中，仅Line 1检测到编辑事件，突变类型为9 bp框内缺失，导致三个氨基酸缺失。T1代中35.7%植株为无转基因且突变稳定遗传，杂合与纯合突变体均表现出株高降低、腋芽增多等表型。与野生型相比，MAX1突变体上列当可存活块茎和芽数量显著减少，orobanchol含量显著降低，纯合突变体中PDS1表达上调，总类胡萝卜素、β-胡萝卜素和叶黄素含量增加。结果表明，通过CRISPR/Cas9编辑MAX1减少独脚金内酯合成可有效赋予番茄对根寄生杂草的抗性，为防控该类杂草提供了新策略。
创新点
首次在番茄中通过CRISPR/Cas9编辑MAX1基因获得对根寄生杂草P. aegyptiaca的抗性；编辑事件可稳定遗传且无脱靶效应；杂合突变体也表现出抗性表型。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄（Solanum lycopersicum cultivar MP-1） | 独脚金内酯（strigolactone）生物合成通路 | MAX1 | MAX1（细胞色素P450单加氧酶，CYP711A亚家族） | 催化 | 催化carlactone氧化为carlactonic acid，进一步生成orobanchol；CRISPR/Cas9靶向第三外显子（Solyc08g062950），产生9 bp框内缺失。 |
| 番茄（Solanum lycopersicum cultivar MP-1） | 独脚金内酯（strigolactone）生物合成通路 | CCD8 | 类胡萝卜素裂解双加氧酶8 | 催化 | 参与carlactone合成；在MAX1突变体中转录水平无显著变化。 |
| 番茄（Solanum lycopersicum cultivar MP-1） | 类胡萝卜素生物合成通路 | PDS1 | 八氢番茄红素脱饱和酶1 | 催化 | 类胡萝卜素生物合成关键酶；在MAX1纯合突变体中表达显著上调，总类胡萝卜素含量增加。 |
| 番茄（Solanum lycopersicum cultivar MP-1） | 独脚金内酯转运 | ABCG45 | ABC转运蛋白G45 | 转运 | 推测为SL转运蛋白（PDR1同源物）；在MAX1突变体中表达无显著变化，不参与抗性机制。 |
关键发现
- 在T0代5个独立转基因系中，仅Line 1检测到MAX1靶位点编辑事件（1/5）
- 突变类型为9 bp框内缺失，导致Lys-252、Arg-253、Iso-254三个氨基酸缺失
- T1代中35.7%（5/14）植株为无转基因（transgene-free）且突变稳定遗传
- MAX1-Cas9杂合与纯合T1植株均表现出株高降低、腋芽增多、不定根形成等表型，纯合突变体变化更显著
- 与野生型相比，MAX1突变体上P. aegyptiaca可存活块茎和芽的数量显著减少，orobanchol含量显著降低
- 纯合突变体中PDS1基因表达显著上调，总类胡萝卜素、β-胡萝卜素和叶黄素含量增加，而CCD8、MAX1和ABCG45表达无显著变化。
研究结论
通过CRISPR/Cas9介导的MAX1基因编辑减少独脚金内酯（orobanchol）合成，可有效赋予番茄对根寄生杂草P. aegyptiaca的抗性，为防控根寄生杂草提供了新的策略。