CRISPR/Cas9系统可对植物的内源基因进行有效定点编辑,为作物的遗传育种提供了新的方向。以感病水稻品种丽江为材料,抗病基因OsCOL9为靶基因,探索该系统对水稻内源基因定点编辑效率以及获得有研究意义的突变体。OsCOL9基因CDS序列全长1 266 bp,编码一个422 aa蛋白,分子量大小约为45.6 k Da,蛋白质结构的N端含有B-box结构域,C端含有CCT(CONSTANS、CONSTANS-Like、TOC1)结构域。设计4个长20 nt的guide RNAs(gRNAs)靶点,靶向编辑

为研究水稻生长素响应因子OsARF12在水稻生长发育中的作用,通过CRISPR/Cas9基因编辑技术,设计OsARF12 2个不同外显子突变靶点,化学合成包括突变靶点的特异性序列,并与中间载体sgRNA连接进而与Cas9终载体重组获得OsARF12 2个不同突变靶点的表达载体。选取测序成功的单一克隆,利用农杆菌介导法导入粳稻品种日本晴,获得转基因植株,并结合测序结果分析突变单株的突变类型,T_1突变体KO-ARF12-1有3种纯合突变、2种双等位突变,共5种突变类型;KO-ARF12-2有6种纯合突变、4种双等位突变和1种杂合突变,共11种突变类型。挑选突变类型为缺失1 nt、缺失4 nt、缺失7 nt和缺失2 nt插入1 nt、缺失5 nt的株系作为研究对象,荧光定量PCR鉴定结果表明,OsARF12在突变体中的表达量较野生型极显著下降(P

青鳉是研究基因功能、器官发生和发育机制的模式生物之一，基因编辑技术已在青鳉中得到广泛应用，但利用CRISPR/Cas9技术构建青鳉突变体的详细过程还未见报道。为了完整详细地阐明青鳉突变体的构建过程，本研究以青鳉Olpax6.1基因的敲除为例，首先利用ChopChop网站设计获得Olpax6.1基因gRNA的靶点；其次通过PCR扩增和质粒酶切分别获得gRNA和Cas9mRNA体外转录的模板并通过体外转录合成gRNA和Cas9mRNA；再者将Cas9mRNA和gRNA混合进行青鳉胚胎显微注射获得突变F_(0)；最后利用PCR、T7EndonucleaseI酶切和Sanger测序筛选F_(0)与野生型杂交的子代获得相同突变类型的F_(1)，进而将相同突变的F_(1)进行杂交并筛选其子代获得了青鳉Olpax6.1 敲除的纯合突变体，纯合突变体表现出眼部发育畸形的经典表型。本研究为青鳉突变体的构建提供详细完整的实验方案，同时也为其他鱼类突变体的构建提供技术参考。

转录因子TBX20在脊椎动物心脏的腔室发育和维护中起至关重要的作用。利用CRISPR/Cas9系统成功制备了斑马鱼tbx20突变鱼系,T7E1检测结果显示F_0敲除效率平均为42. 1%,测序分析F_1中突变种质遗传效率为36. 7%。F_2突变体中观察到心脏突变表型:48 hpf,心包腔肿大,静脉窦瘀血,环化异常,心脏结构变形; 3 dpf,心脏畸形拉伸成线状结构。原位杂交和qRT-PCR结果显示,突变体中vmhc表达上调,amhc和myl7表达下调。成功制备了斑马鱼tbx20突变体,结果表明tbx20纯合突变体心脏畸形,环化受到影响,为深入探究tbx20在早期心脏腔室分化过程中的作用奠定了基础。

【目的】OsIAA11参与的生长素信号途径在水稻生长发育阶段和环境因子响应中起重要作用,并影响水稻生育后期的产量形成过程。利用CRISPR/Cas9编辑技术对粳稻中花11(ZH11)的OsIAA11序列进行编辑,获得OsIAA11突变植株,通过对突变植株的农艺性状指标开展田间调查分析,以期探索OsIAA11突变对水稻产量构成因子的影响。【方法】依据CRISPR/Cas9编辑原理,在OsIAA11第1和第2外显子区域设计2个20 bp的编辑靶点,并在水稻基因组数据库中比对分析靶点序列,排除非特异性编辑,将2个靶点核苷酸片段分别与pYLgRNA-U6a和pYLgRNA-U6b载体连接,通过2次PCR扩增,得到含特异性连接接头的U6a-IAA11-T1和U6b-IAA11-T2表达盒,再将2个表达盒连接到pYLCRISPR/Cas9-MT载体上,获得pYLCRISPR/Cas9-IAA11-T12重组表达载体,利用农杆菌介导法转化ZH11愈伤组织,再生培养得到T0代转基因幼苗,通过PCR扩增潮霉素抗性基因获得阳性株系。对T2代植株的靶点区域序列进行PCR扩增和测序分析,鉴定OsIAA11突变类型,并考察突变植株的田间农艺性状。【结果】pYLCRISPR/Cas9-IAA11-T12表达载体成功转化ZH11水稻愈伤组织,并获得25株转基因再生植株,经潮霉素鉴定得到20株阳性株系,从阳性植株的T2后代中鉴定出17种在2个靶点区域都发生编辑的纯合突变类型植株,除osiaa11-20-1、osiaa11-21-2、osiaa11-23和osiaa11-25在第1个靶点、以及osiaa11-22-2在第2个靶点是单碱基插入突变外,其他突变植株在第1个靶点为小片段缺失突变,在第2个靶点多为单碱基缺失突变。对17种不同基因型osiaa11突变体的农艺性状调查表明,与野生型水稻相比,突变体水稻的株高、有效穗数、穗长、穗粒数、结实率、千粒重、收获指数以及谷草比等性状未发生明显变化,而分蘖成穗率则显著降低,表明无效分蘖增多。【结论】采用CRISPR/Cas9技术对OsIAA11序列进行编辑,得到17种不同基因型的osiaa11突变体水稻,其分蘖成穗率显著降低,无效分蘖变多,表明OsIAA11参与了生长素对分蘖芽发生的调节代谢。

【目的】休眠是水稻重要的农艺性状。适当的休眠可以抑制水稻的穗发芽现象，是确保产量和品质的关键因素。然而，水稻休眠调控的基因及其调控网络仍需进一步研究。已知基因MODD编码未知功能的蛋白，负向调控水稻脱落酸信号和抗旱性，但其调控水稻休眠的功能未知。研究MODD在调控水稻休眠中的功能，有助于完善水稻休眠调控网络，同时为抗穗发芽遗传育种提供新的理论基础和种质资源。【方法】根据RGAP数据库公布的基因序列，构建MODD的CRISPR-Cas9敲除载体，通过农杆菌介导的遗传转化方法转化中花11(ZH11)愈伤组织，从而获得水稻转基因植株；利用PCR扩增、测序技术及qRT-PCR技术筛选并鉴定MODD敲除纯合系；根据2个突变系（KO-1和KO-2）的CDS得到突变系的氨基酸序列，然后，用DNAMAN对比ZH11和2个突变系（KO-1和KO-2）的蛋白序列；利用Linux系统筛选出MODD在水稻中的同源基因；取开花后35 d的种子，调查ZH11和敲除系的发芽率；利用酵母单杂和LUC试验验证MODD的上游基因。【结果】查找到水稻中有6个MODD的同源基因，分别为LOC＿Os07g41160、LOC＿Os03g30570、LOC＿Os03g53630、LOC＿Os04g35430、LOC＿Os03g17050和LOC＿Os06g01170；成功构建了敲除载体，并转入ZH11中，获得2个纯合突变系（KO-1和KO-2）;qRT-PCR结果表明，2个突变系（KO-1和KO-2）的MODD表达量显著降低；蛋白序列分析表明，KO-1和KO-2的移码突变造成了蛋白翻译的提前终止；发芽率结果显示，2个突变系（KO-1和KO-2）的发芽率在吸水第3天比ZH11分别显著降低了15%和15%；之后差异逐渐扩大，在第6天差异达到最大，比ZH11分别显著降低35%和35%;2个突变系（KO-1和KO-2）的穗发芽现象显著低于ZH11；酵母单杂试验结果表明，在酵母中，ABI5可以结合MODD的启动子区域，并且进一步把结合范围缩小至300 bp以内；LUC结果显示，加入ABI5的荧光值是单独加NONE空载荧光值的2.6倍，说明ABI5可以激活MODD的表达。【结论】敲除MODD可以增加种子的休眠，MODD可能通过ABA信号途径调控种子休眠。

【目的】稻米香味是水稻品质改良的一个重要内容,其性状主要受1个隐性基因Badh2的控制。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术将常规品种中的Badh2进行编辑,从而获得Badh2发生突变的基因编辑株系,使香味性状得到改良。【方法】利用CRISPR/Cas9基因编辑的原理,在水稻Badh2的第2和第7外显子处设计靶点,通过BLAST分析确定其特异性并构建到CRISPR/Cas9表达载体。以浙江省主要推广的水稻品种嘉58和秀水134的愈伤组织为受体,利用农杆菌介导的遗传转化法,通过潮霉素抗性筛选获得阳性转基因植株。转基因株系经测序明确其在Badh2的突变类型,经PCR分析与鉴定获得Badh2发生突变并无转基因标记成分的稳定株系。利用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)检测基因编辑株系糙米米粉中2-AP的含量,明确其香味成分与非转基因对照之间的差异。【结果】在水稻第2和第7外显子处设计靶点构建表达载体,通过遗传转化转基因株系的Badh2完成了定向突变。共获得T_0代嘉58基因编辑的株系15株,在第2外显子处发生突变的有8株5种不同的突变类型,均为不同单碱基插入不同位点;在第7外显子处发生突变的有7株5种不同的突变方式,均为碱基或片段缺失。获得秀水134基因编辑的株系11株,在第2外显子处共有5株,均为单碱基插入;在第7外显子处有6株,均为片段缺失。48株T_1代秀水134基因编辑株系中,共获得16株无转基因标记的基因编辑株系,其中5株在第2外显子发生突变,11株在第7外显子处发生突变。4个T_2代基因编辑株系的米粉中2-AP平均含量分别为0.309、0.347、0.332和0.295μg·g~(-1),极显著(P<0.01)高于非转基因对照(0.046μg·g~(-1))。【结论】利用CRISPR-Cas9技术可对水稻香味基因Badh2进行定向编辑,并且可获得无转基因成分的基因编辑株系,其香味性状得到明显改良。

【目的】易落粒既不利于稻谷收获,也不适宜于水稻机械化生产。利用现阶段前沿的分子育种手段——CRISPR/Cas9技术对水稻落粒性主效基因qSH1进行定点编辑,并调查分析易落粒性状的改良效果,为创制稳产和适合机械化生产的水稻新种质奠定材料基础和探索新途径。【方法】以qSH1为靶标基因,根据CRISPR/Cas9技术原理设计靶标位点。将所设计的靶点序列在水稻参考基因组中比对分析以排除非特异性靶位点,最终筛选出qSH1-T1和qSH1-T5靶标位点。化学合成靶位点寡核苷酸序列,退火后分别与pYLg RNA-U3、pYLg RNA-U6a载体连接构建U3-qSH1T5-g RNA、U6a-qSH1T1-g RNA表达盒,最后将2个g RNA表达盒同时连接至pYLCRISPR/Cas9表达载体中,构建pYLCRISPR/Cas9-qSH1-T51表达载体。利用农杆菌介导转化易落粒的籼稻品种HR1128,以潮霉素抗性为筛选标记筛选获得T0代转基因阳性植株。利用靶位点扩增测序法判断T0代转基因植株在预期靶标位点是否发生突变,并进一步分析突变类型及基因型。将靶点序列在水稻参考基因组中比对,选择与靶点序列匹配度大于或等于15 bp且3′端具有NGG的位点作为潜在脱靶位点进行脱靶效应评估。利用潮霉素基因及靶点检测进一步筛选无T-DNA成分的qsh1突变植株并进一步构建qsh1突变系,并分析qsh1突变系的落粒性、qSH1的表达量及预测编码氨基酸序列。【结果】pYLCRISPR/Cas9-qSH1-T51载体成功地实现了对qSH1靶标位点的定点编辑。在T0代转基因阳性植株中获得7个突变单株,其中qSH1-T1和qSH1-T5靶点的突变频率分别为54.55%和63.64%,突变基因型包括纯合突变、杂合突变、双等位突变和嵌合突变,突变类型包括碱基插入、碱基缺失及碱基突变。通过对T1代植株进行潮霉素基因筛选、靶位点扩增测序,结果表明,在T1代植株中Cas9载体骨架和qSH1突变位点都发生了分离,获得2种不含T-DNA成分的qsh1纯合突变株,并以此构建2个T2代qsh1纯合突变系群体(17SZ01和17SZ02)。对46株转基因阳性植株进行脱靶效应分析,发现3个潜在脱靶位点均未发生突变,表明所设计的靶标位点具有较高的特异性。通过落粒性测定分析表明,与野生型对照相比,2个qsh1纯合突变系的落粒性显著降低。进一步分析发现,2个突变系氨基酸翻译均发生改变并提前终止,同时17SZ01突变系qSH1的表达量显著降低。【结论】利用CRISPR/Cas9技术对水稻基因组进行定点编辑定向改良水稻品种落粒性,是一条高效、安全的分子改良育种策略。

【目的】在植物转基因研究中,使用选择标记基因(Selectable Marker Gene, SMG)使得转化子的筛选更准确便利,但存在SMG的转基因植株可能对人类健康及生态环境造成潜在危害,这也限制了转基因植物商业化的应用前景。因此去除转基因植物中的SMG十分必要。【方法】本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术,针对水稻转基因中常用的SMG潮霉素抗性基因(hygromycin phosphotransferase II,hptII)设计构建了编辑载体,利用农杆菌(LBA4404)介导的遗传转化方法转化水稻日本晴,得到转化植株,再将转化植株与带有hptII基因的植株进行杂交。【结果】通过遗传转化及分子鉴定,本研究得到了18株可用于编辑hptII基因的转化植株,进一步对转化植株与带有hptII基因的植株杂交的F_1代进行检测,经PCR检测及测序验证表明,在杂交F_1代植株中,hptII基因的DNA确有编辑发生,包括碱基缺失、替换以及插入等,使得hptII基因不能成功转录。【结论】利用CRISPR/Cas9技术,成功获得了删除hptII基因的转基因水稻。这为植物转基因研究实现无选择标记基因(marker-free)奠定了基础。

为了获得经济价值更高的香稻品种,利用成熟的CRISPR/Cas9技术,在水稻Badh2基因上设计sgRNA-E2和sgRNA-E3 2个靶位点,对超级稻品种龙粳31的香味品质进行改良,其中靶位点sgRNA-E2跨第2个内含子和第2个外显子,靶位点sgRNA-E3位于第3外显子区。经检测共获得有碱基突变的转基因植株6株,其中2个单株为纯合突变,4个单株为双等位突变。突变类型包括碱基缺失、插入及碱基变异,其中突变单株Badh2-E2-13有大片段缺失,为双等位突变,分别缺失64,108 bp。在转录水平上发现6个突变株系的Badh2基因表达量均比野生型显著降低(P<0.05)。通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术检测T_0突变体种子的香味物质2AP含量,发现5个突变单株的2AP含量相对野生型显著提高(P

为促进长粒型粳稻品种的选育，以粳稻品种东富139、龙粳31和东农427为试验材料，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建了pYLCRISPR/Cas9-GS3-RNA和pYLCRISPR/Cas9-GS3-GS9-RNA 2个敲除载体，通过农杆菌转化法侵染受体材料的愈伤组织，对GS3和GS9基因进行定点编辑。最终，3个品种在T_2都获得了GS3单基因突变、GS9单基因突变和GS3、GS9双基因突变，且无T-DNA元件的纯合植株。在成熟期对T_2突变体及其野生型的农艺性状进行考察分析，结果表明，与野生型相比，3个品种的gs3突变植株的粒长、千粒质量均显著增加，粒宽、结实率和穗粒数无显著变化；gs9突变体粒长显著增加，粒宽显著减少，千粒质量、结实率和穗粒数无显著变化；gs3gs9突变体粒长增加，且增幅大于gs3和gs9,同时粒宽显著减少，千粒质量显著增加，而结实率和穗粒数无显著变化。综上，利用CRISPR/Cas9技术对东富139、龙粳31和东农427等3个粳稻品种的粒型进行改良，加快了长粒型粳稻新品种的选育进程。

【目的】通过CRISPR/Cas9技术同时编辑多个粒型基因，获得粒长增加、粒宽降低的理想粒型，快速提高三系杂交稻恢复系的外观品质，为三系杂交稻提供优良亲本材料。【方法】利用CRISPR/Cas9技术在恢复系桂恢582（GH582）中同时敲除粒型基因GS3、GW8和TGW3，在T_(2)代选择突变位点纯合无标记基因且符合预期目标的单株鉴定为新恢复系，并对新恢复系进行主要农艺性状及透明度、垩白度、垩白粒率等米质相关性状分析。【结果】对恢复系GH582多个不同粒型突变单株的3个突变基因位点进行测序分析，获得4种突变类型：GW8tgw3GS3，GW8TGW3gs3，gw8TGW3gs3和gw8tgw3gs3。结合粒型分析显示gs3及tgw3基因的单独突变都显著增加了籽粒长（P<0.05，下同）；籽粒宽的显著下降主要来自gw8突变；三者同时突变（gw8tgw3gs3）使得籽粒长增加的叠加效应明显。选择三基因位点突变体（gw8tgw3gs3）鉴定为新恢复系GH582E。农艺性状分析显示，GH582E相较GH582，籽粒长由8.62 mm增加至10.21 mm，增加了18.4%；籽粒宽度由2.82 mm下降至2.45 mm，下降了13.1%，其他农艺性状无显著变化（P>0.05）。米质分析显示，由于GH582E米粒长增加，米粒宽降低，使得透明度升高，垩白粒率和垩白度极显著下降（P<0.01），外观品质得到提升。【结论】通过CRISPR/Cas9技术改良粒型可快速提升水稻恢复系的外观品质，促进现有资源的有效利用，提高杂交稻亲本的育种效率。

CRISPR/Cas9基因编辑技术已经成为水稻育种新型手段,香稻育种一直是水稻育种行业的研究热点,水稻香味主要由8号染色体上的甜菜碱脱氢酶基因Badh2控制。为了改良原有品种的香味性状,促进香稻育种的发展,以非香型粳稻品种东农425为试验材料,构建了2个CRISPR/Cas9敲除载体对Badh2基因进行定点编辑,第1个载体(p YLCRISPR/Cas9-B1-gRNA)的2个靶点分别位于第2和第3外显子上,第2个载体(p YLCRISPR/Cas9-B2-gRNA)的2个靶点均在第2外显子上。采用农杆菌介导法对东农425进行遗传转化,成功获得了T0纯合植株,并对其衍生出的T1植株进行T-DNA元件检测,共获得8个突变类型不同且不含有转基因成分的纯合突变株系。同时采用咀嚼法和氢氧化钾浸泡法对这8个纯合突变株系的水稻籽粒进行香味检测,结果表明,8个Badh2株系均具有不同程度的香味,总体上载体p YLCRISPR/Cas9-B1-gRNA编辑的3个株系的香味更为浓郁。对这8个纯合突变株系的主要农艺性状进行考察,发现突变株系的穗数、穗粒数、结实率及千粒质量与野生型相比均没有明显差异。综上,本研究对东农425的Badh2基因成功地进行了编辑,并获得了香味显著提高且无转基因成分的纯合突变体材料,为加快香型粳稻品种的培育提供了技术支持。

【目的】通过CRISPR/Cas9技术同时编辑多个粒型基因，获得粒长增加、粒宽降低的理想粒型，快速提高三系杂交稻恢复系的外观品质，为三系杂交稻提供优良亲本材料。【方法】利用CRISPR/Cas9技术在恢复系桂恢582(GH582)中同时敲除粒型基因GS3、GW8和TGW3,在T_2代选择突变位点纯合无标记基因且符合预期目标的单株鉴定为新恢复系，并对新恢复系进行主要农艺性状及透明度、垩白度、垩白粒率等米质相关性状分析。【结果】对恢复系GH582多个不同粒型突变单株的3个突变基因位点进行测序分析，获得4种突变类型：GW8tgw3GS3、GW8TGW3gs3、gw8TGW3gs3和gw8tgw3gs3。结合粒型分析显示gs3和tgw3基因的单独突变均显著增加了籽粒长(P<0.05,下同);籽粒宽的显著下降主要来自gw8基因突变；三者同时突变(gw8tgw3gs3)使得籽粒长增加的叠加效应明显。选择3基因位点突变体(gw8tgw3gs3)鉴定为新恢复系GH582E。农艺性状分析结果显示，GH582E相较GH582,籽粒长由8.62 mm增加至10.21 mm,增加18.4%;籽粒宽度由2.82 mm下降至2.45 mm,下降13.1%,其他农艺性状无显著变化(P>0.05)。米质分析结果显示，由于GH582E米粒长增加，米粒宽降低，使得透明度升高，垩白粒率和垩白度极显著下降(P<0.01),外观品质得到提升。【结论】通过CRISPR/Cas9技术改良粒型可快速提升水稻恢复系的外观品质，促进现有资源的有效利用，提高杂交稻亲本的育种效率。

为证实基于慢病毒的CRISPR/Cas9基因编辑技术可用于鸡基因组编辑,以鸡的mavs基因为靶基因,通过设计sgRNA,构建表达靶向mavs基因sgRNA的重组慢病毒,并将其感染DF1-Cas9细胞,通过T7E1酶切试验以及mavs基因的靶向序列测定,分析该方法是否可以用于鸡细胞的基因编辑。扩增sgRNA靶向序列1 220 bp片段,经T7E1酶切琼脂糖凝胶分析可见约300 bp和900 bp大小的条带,表明感染sgRNA慢病毒的细胞mavs产生了突变。序列测定结果表明sgRNA靶向序列发生了多个碱基缺失的突变。以上结果表明基于慢病毒系统的CRISPR/Cas9技术可对鸡基因组进行编辑。