科学家在甘薯中利用CRISPR/Cas9基因编辑技术改良淀粉的品质

2019-09-23，中国科学院分子植物科学卓越创新中心张鹏研究组在International Journal of Molecular Sciences 杂志上在线发表了题为CRISPR∕Cas9-Based Mutagenesis of Starch Biosynthetic Genes in Sweet Potato(Ipomoea batatas)for the Improvement of Starch Quality 的研究论文。该研究首次利用CRISPR-Cas9 技术在六倍体甘薯中实现了定点编辑，获得了高直链和蜡质淀粉，为食品加工及工业应用提供新型原材料，也为今后甘薯的育种提供了新的思路和技术。

CRISPR∕Cas9介导的基因组编辑是分子育种的革命性技术，已经成功对小麦、稻米、番茄、马铃薯等多种农作物进行了品质改良。然而，由于甘薯基因组庞大（2n=6x=90）、遗传背景复杂（六倍体）、自交不亲和、遗传转化困难等特性，使得甘薯基础研究严重滞后，新品种培育和品质改良十分困难。

在本研究中，该团队选取了两个甘薯主栽品种：淀粉型品种“徐薯22”和富含类胡萝卜素的品种“泰中6 号”，针对淀粉生物合成途径基因IbGBSSI 和IbSBEII 分别设计了两个sgRNA 靶点，对应构建了单个和双个sgRNA靶点的CRISPR∕Cas9载体转化甘薯。对转基因株系的分析表明，CRISPR∕Cas9系统在甘薯基因组中达到良好的基因编辑效果，突变率达到了63%以上。结合测序结果，能精确地分析目标基因中的突变位点（见图a）。为验证目标基因编辑后的效果，对淀粉理化性质进行了检测，发现虽然被编辑的植株总淀粉含量不变，但直链淀粉和支链淀粉的含量及链长发生了显著变化（见图b,c）。甘薯自交不亲合，因此在本研究中转化2 个甘薯的不同品种，后续可以通过杂交分离来剔除T-DNA，筛选不含有转基因成分的品质改良新品种（系），实现分子育种与传统育种的有机整合，加速育种进程。本项目首次实现CRISPR∕Cas9编辑甘薯淀粉合成基因改良了淀粉的品质，为今后甘薯分子育种及多倍体作物基因编辑提供了新方向。

分子植物卓越中心博士王红霞和硕士生吴银亮为该论文的共同第一作者，博士生张延娣、中科院辰山植物科学研究中心博士范维娟、杨俊等参与了该项研究工作。张鹏和肯塔基大学教授袁凌为共同通讯作者。中科院上海植物逆境生物学研究中心朱健康研究组给予了帮助。该研究得到国家研发专项和国家自然科学基金等的资助。

科学家在甘薯中利用CRISPR/Cas9基因编辑技术改良淀粉的品质