CRISPR/Cas9技術(shù)定點(diǎn)編輯水稻谷蛋白基因GluA3

周 優(yōu)，林冬枝，2，董彥君，2，3*

(1上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，上海 200234；2上海師范大學(xué)遺傳研究所，上海 200234；3上海市植物分子科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200234)

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，為全球半數(shù)以上人口的主食，也是人體攝入植物蛋白的主要來源。稻米貯藏蛋白約占其干重的8%—16%，其含量及組分很大程度上決定著稻米的品質(zhì)和營養(yǎng)價(jià)值。因此，提高稻米蛋白含量并改良其組分是水稻品質(zhì)改良的重要目標(biāo)。稻米中的蛋白根據(jù)其溶解特性可分為三大類，即鹽溶蛋白(包括清蛋白和球蛋白)、醇溶蛋白和溶于酸或堿的谷蛋白，其中以谷蛋白為主，約占全蛋白的80%，而醇溶蛋白只占5%—10%[1-5]。與醇溶蛋白相比，谷蛋白具有易消化、富含賴氨酸、精氨酸等特點(diǎn)，是優(yōu)良的植物蛋白[4]。Tanaka 等[6]從稻米蛋白中分離出兩種蛋白體，即蛋白體I(protein body，PB-I)和蛋白體Ⅱ(PB-Ⅱ)。其中，以醇溶蛋白為主的PB-I由10 ku、13 ku、16 ku和57 ku 的多肽構(gòu)成，以谷蛋白為主的PB-Ⅱ主要含有22 ku、26 ku、37 ku、38 ku和39 ku的多肽組分?？蒲泄ぷ髡咭谚b定出13 ku醇溶蛋白組分缺失的突變體[7-8]和低谷蛋白的突變體(如Lgc-1)[9]以及谷蛋白57 ku前體的積累缺少突變體[10]。研究表明，水稻谷蛋白基因原始翻譯產(chǎn)物是一類氨基酸殘基數(shù)目在 495—500 aa、大小約為 57 ku 的前體H。這些前體經(jīng)過穿膜、剪切和酶解等一系列復(fù)雜過程最終形成成熟的22 ku和37—39 ku谷蛋白亞基并貯存于蛋白體中。目前，多數(shù)水稻谷蛋白基因已被分離克隆，根據(jù)序列相似性可將其分為GluA和GluB兩個(gè)亞家族[11]。GluA亞家族至少包含3個(gè)不同編碼基因，即GluA1、GluA2和GluA3[12]。近年來，水稻谷蛋白突變體的遺傳變異機(jī)理和育種等方面的研究取得了明顯進(jìn)展[13]。在遺傳機(jī)理方面，日本科學(xué)家[9]對利用低谷蛋白突變材料NM67育成的Lgc-1相關(guān)品種的低谷蛋白特性進(jìn)行了深入研究，揭示了Lgc-1突變體的低谷蛋白特性是由于GluB亞家族基因GluB4和被剪切了部分片段的GluB5基因以尾對尾反向重復(fù)形成的結(jié)構(gòu)造成的。即在GluB4和GluB5之間缺失一段4.5 kb的片段，由于GluB4和GluB5的同源性極高，在 RNA拼接過程中產(chǎn)生了發(fā)夾式的RNA雙鏈結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了Lgc-1突變體的低谷蛋白性狀。對于某些特定的人群如腎臟病、糖尿病患者來說，大量吸收消化谷蛋白會導(dǎo)致病情惡化。因此，育種家們利用低谷蛋白Lgc-1突變體材料選育出低谷蛋白水稻品種‘春陽’(http：//ineweb.narcc.affrc.go.jp/search/ine.cgi?action=inedata_top&ineCode=HOK01830)和‘W3660’[14]，又利用Lgc-1低谷蛋白相關(guān)品種與球蛋白缺失突變體配組育成了具有更低谷蛋白含量的水稻品種‘LGC-Katsu’和 ‘LGC-Jun’[15]。本研究組也以水稻品種‘春陽’作為親本育成了能輔助治療腎病的低谷蛋白品種‘益腎稻1號’(http：//www.jyb.cn/high/gdjyxw/201311/t20131104_558 198.html)。因此，水稻谷蛋白突變體不僅是進(jìn)行真核生物貯藏蛋白生物合成和基因表達(dá)調(diào)控研究的重要材料，也是培育功能性專用水稻品種不可或缺的優(yōu)良種質(zhì)資源[13，16]。眾所周知，CRISPR/Cas9是一種快速有效的基因組定點(diǎn)編輯技術(shù)，已成為植物分子育種的重要手段。目前，未見利用CRISPR/Cas9技術(shù)創(chuàng)制水稻谷蛋白基因突變體的報(bào)道。本研究嘗試?yán)肅RISPR/Cas9技術(shù)對水稻谷蛋白基因GluA3(LOC_Os03g31360)進(jìn)行定點(diǎn)編輯，以期為改善水稻谷蛋白品質(zhì)的育種提供中間材料和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)的遺傳轉(zhuǎn)化材料為浙江省嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)粳稻品種‘嘉花1號’，在南方粳稻區(qū)廣泛種植。試驗(yàn)水稻材料種植于人工氣候箱以及上海師范大學(xué)植物園內(nèi)的封閉試驗(yàn)基地，常規(guī)水肥管理。

1.2 載體構(gòu)建及轉(zhuǎn)基因研究

本試驗(yàn)使用的CRISPR/Cas9 載體由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉耀光院士[17]提供，U6a載體部分序列如圖1A所示，Cas9 載體結(jié)構(gòu)如圖1B所示。利用CRISPR引物設(shè)計(jì)軟件 (http：//crispr.dbcls.jp/)針對水稻谷蛋白基因GluA3(LOC_Os03g31360)第4外顯子設(shè)計(jì)19 bp靶位點(diǎn)序列5’-TCAGGAAGTGCGCGGAAGA-3’，PAM序列為 TGG(圖 1C)，設(shè)計(jì)的靶點(diǎn)接頭引物為Target-F/R(表1)。基因靶序列利用NCBI 網(wǎng)站上的BLAST程序進(jìn)行篩選，未找到脫靶序列。

LB：載體左邊界；HPT：潮霉素；Ubi：Ubi啟動子；pCas9：Cas9蛋白；OsU6a：水稻U6a啟動子；gRNA：向?qū)NA；RB：載體右邊界圖1 CRISPR/Cas9載體及基因結(jié)構(gòu)圖Fig.1 CRISPR/Cas9 vector and gene structure map

引物名稱引物序列(5’-3’)Target-FGCCGTCAGGAAGTGCGCG-GAAGATarget-RAAACTCTTCCGCGCACTTCCT-GAGluA3-FAGAACGCACTCCTTTCACCTGluA3-RTGCTTGTTGATGGCATTTCT-TAGluA3-Q-FCCGTCGTTTGCTTGTTCCTCGluA3-Q-RACAGTGCGAATCGGCTCAAAOsActin-FAGGAAGGCTGGAAGAGGACCOsActin-RCGGGAAATTGTGAGGGACATHPT-FGATGTTGGCGACCTCGTATTHPT-RGTGTCACGTTGCAAGACCTG

1.3 PCR鑒定分析及 qRT-PCR 分析

取試驗(yàn)材料單株葉片，采用CTAB法[18]提取全基因組DNA，用于PCR擴(kuò)增或于-20℃冰箱中保存。PCR體系參照張建輝等[19]方法，PCR擴(kuò)增產(chǎn)物在1.5%瓊脂糖凝膠上進(jìn)行電泳，電泳結(jié)束后EB溶液顯色并拍照，進(jìn)行DNA測序(上海美吉生物公司)。

利用RNA提取試劑盒(北京全式金生物技術(shù)有限公司的TransZol Plant)提取水稻根、莖、幼葉、倒二葉、劍葉、穗以及授精15 d后的未成熟胚乳組織中總RNA。以提取的RNA為模板，用反轉(zhuǎn)錄試劑盒(北京全式金生物技術(shù)有限公司的TransScript One-Step gDNA Removal and cDNA Synthesis SuperMix)合成cDNA，然后進(jìn)行定量PCR(qRT-PCR)分析，以水稻OsActin基因作為內(nèi)參基因。qRT-PCR體系為：cDNA 模板1 μL，2×SYBR qPCR Mix (TOYOBO)10 μL，正反向引物(10 μmol/L)各1 μL，ddH2O補(bǔ)足至20 μL。PCR擴(kuò)增程序?yàn)椋?5℃預(yù)變性3 min；95℃ 10 s，60℃ 30 s，72℃ 20 s，40個(gè)循環(huán)。采用2-ΔCT法分析數(shù)據(jù)，確定目的基因的相對表達(dá)量。

1.4 突變體農(nóng)藝性狀調(diào)查

水稻生長成熟后，對‘嘉花1號’及突變體材料的株高、有效穗、結(jié)實(shí)率、千粒重、每穗粒數(shù)和單株產(chǎn)量進(jìn)行考查?？疾?個(gè)單株，獲得的數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.5 種子谷蛋白的提取及SDS-PAGE電泳分析

參照曲樂慶等[4]方法提取‘嘉花1號’、突變體以及Lgc-1材料的成熟種子谷蛋白，略加改動。具體步驟：將單粒種子用研缽磨碎，加入1 mL 0.5 mol/L NaCl和10 mmol/L Tris-HCl(pH 6.8)，旋渦震蕩混勻，15 000 r/min 離心 10 min，棄上清，將水溶性清蛋白和鹽溶性球蛋白去掉；然后向沉淀中加入1 mL 75%乙醇，旋渦震蕩混勻，15 000 r/min離心10 min，棄上清；再向沉淀中加入0.5 mL 65℃預(yù)熱的蛋白抽提液5 mol/L Urea、4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同) SDS、5% β-ME、20%甘油和0.1 mol/L Tris-HCl(pH 6.8)，充分旋渦震蕩后室溫靜置過夜。電泳上樣前離心10 min (10 000 r/min)，取10 μL上清進(jìn)行SDS-PAGE (分離膠15%，濃縮膠7.5%)，恒壓 90 V，垂直電泳270 min左右。電泳后用考馬斯亮藍(lán)G-250染色。

2 結(jié)果與分析

2.1 GluA3基因特異性表達(dá)驗(yàn)證

通過對‘嘉花1號’編碼谷蛋白的基因GluA3(LOC_Os03g31360)進(jìn)行測序分析，發(fā)現(xiàn)該基因開放閱讀框(ORF)序列與‘日本晴’相同，屬于典型的粳稻材料。為了驗(yàn)證GluA3基因是否具有胚乳特異性表達(dá)，對其植株根、莖、幼葉、倒二葉、劍葉、穗以及授精15d后的未成熟胚乳組織進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)分析，結(jié)果只在授精15d后的未成熟胚乳中檢測到該基因mRNA轉(zhuǎn)錄本，并有高表達(dá)(圖2A)，這與日本晴基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫(http：//ricexpro.dna.affrc.go.jp/GGEP/graph-view.php?featurenum=14894)結(jié)果完全一致(圖2B)，證實(shí)GluA3基因參與水稻種子中谷蛋白的合成。

圖2 GluA3基因表達(dá)的組織特異性Fig.2 The tissue specific expression of GluA3 gene

2.2 CRISPR/Cas9表達(dá)載體的構(gòu)建與轉(zhuǎn)基因植株獲得

首先通過網(wǎng)址http：//rice.plantbiology.msu.edu/cgi-bin/gbrowse/rice/#search獲得水稻谷蛋白基因GluA3(LOC_Os03g31360)全長cDNA 序列，結(jié)合生物信息學(xué)網(wǎng)站http：//crispr.dbcls.jp，通過序列比對分析，在第4外顯子上找到一條長度為 19 bp 特異性較好的靶點(diǎn)序列(5’-TCAGGAAGTGCGCGGAAGA-3’)(圖1C)，將其構(gòu)建到表達(dá)載體中(圖1B)，將連接了MH載體的終產(chǎn)物轉(zhuǎn)入大腸桿菌，在含有卡那霉素的LB固體平板培養(yǎng)基上37℃過夜培養(yǎng)，挑取單菌落并在試管內(nèi)搖菌過夜。提取質(zhì)粒，用引物Uctcg-B1 (5’-TTCAGAGGTCTCTCTCGACTAGTGGAATCGGCAGCAAAGG-3’)和gRcggt-BL (5’-AGCGTGGGTCT-CGACCGACGCGTCCATCCACTCCAAGCT-3’)進(jìn)行PCR擴(kuò)增，擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行測序驗(yàn)證(上海美吉生物公司)，將序列結(jié)果正確的質(zhì)粒轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌EHA 105，用于侵染水稻‘嘉花1號’的愈傷組織，獲得組培植株后，利用載體特異性引物HPT-F/R(表1)擴(kuò)增檢測，獲得陽性轉(zhuǎn)基因植株23株。

2.3 GluA3基因靶位點(diǎn)突變類型分析

為了檢測23株陽性轉(zhuǎn)基因植株是否成功編輯，利用GluA3基因序列特異性引物GluA3-F/R(表1)對上述陽性轉(zhuǎn)基因植株進(jìn)行擴(kuò)增測序，發(fā)現(xiàn)20個(gè)T0代獨(dú)立轉(zhuǎn)基因系在PAM附近位置發(fā)生了編輯。進(jìn)一步將其中的一個(gè)T1代植株移栽到試驗(yàn)田，對GluA3基因測序發(fā)現(xiàn)，該基因靶位點(diǎn)突變位點(diǎn)發(fā)生分離，M1是在PAM (TGG)第1個(gè)堿基(T)至PAM前3個(gè)堿基(AGA)共缺失4bp(AGAT)(圖3A)，M2則是在PAM位置前后共缺失45bp (5’-GAAGATGGAATTCTTTCCTGCCATGTGGCTAACCATGGAGTCAGG-3’)，并插入59bp (5’-TTGTGATCATGTTGACATTGAAAACCAACCCTGACTCCATGGTTAGCCACATATGAAGA-3’)(圖3A)。兩種突變均引起編碼的氨基酸發(fā)生改變，且翻譯提前終止，影響GluA3蛋白的結(jié)構(gòu)和功能。進(jìn)一步對T1代28個(gè)單株進(jìn)行DNA提取，用基因序列特異性引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增和測序分析，通過與‘嘉花1號’(WT)序列比對，發(fā)現(xiàn)此突變株為嵌合體，分離出兩種純合突變種(圖3A)；利用特異性引物HPT-F/R進(jìn)行擴(kuò)增，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因載體和基因靶位點(diǎn)在后代中發(fā)生了分離(圖3B)；獲得T1代無選擇標(biāo)記基因突變株。

圖3 CRISPR/Cas9/sgRNA介導(dǎo)的GluA3編輯Fig.3 CRISPR/Cas9/sgRNA-mediated editing of GluA3

2.4 突變體RNA表達(dá)水平以及稻米谷蛋白含量

上述2種類型不包含轉(zhuǎn)基因載體序列的純合型突變水稻(M1和M2)與‘嘉花1號’表現(xiàn)出相似的植株表型(圖4A)。為了明確基因編輯是否影響GluA3基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，利用qRT-PCR技術(shù)對授精15d后的‘嘉花1號’和突變體未成熟胚乳中GluA3 mRNA表達(dá)水平進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)2種突變材料中的GluA3 表達(dá)水平均明顯下調(diào)，大片段缺失/插入的M2更加明顯(圖4B)，表明GluA3基因第 4外顯子上4個(gè)堿基缺失(M1)和大片段缺失/插入(M2)都影響了該基因的轉(zhuǎn)錄水平。同時(shí)，為了明確GluA3基因的突變及轉(zhuǎn)錄下調(diào)是否影響谷蛋白含量以及組分，采用 SDS-PAGE 對‘嘉花1號’、M1和M2水稻糙米種子谷蛋白含量及組分進(jìn)行了分析。為了提高試驗(yàn)的可靠性，以低谷蛋白突變體Lgc-1作為對照，結(jié)果表明：Lgc-1與‘嘉花1號’相比，22—23 ku和37—39 ku的多肽組分明顯減少[9]，說明本測試方法和結(jié)果是可靠的。如圖4C所示，M1和M2谷蛋白含量與‘嘉花1號’相比，表現(xiàn)出明顯下降趨勢，尤其是M2，表明GluA3 突變可引起谷蛋白含量變化。

圖4 ‘嘉花1號’和GluA3基因編輯后代表型、RNA及其谷蛋白表達(dá)的檢測Fig.4 Phenotype，expression detection of RNA and gluten of ‘Jiahua 1’，M1 and M2

2.5 GluA3基因編輯后代農(nóng)藝性狀

為了驗(yàn)證GluA3突變是否與水稻產(chǎn)量農(nóng)藝性狀相關(guān)，對‘嘉花1號’及其T2代突變體材料的產(chǎn)量相關(guān)農(nóng)藝性狀進(jìn)行了考察。通過生物統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)除株高、穗長以及千粒重沒有明顯差異外，穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率以及單株產(chǎn)量均存在顯著差異(表2)，突變體材料分別比‘嘉花1號’下降37%、13%、18%和60%以上。

表2 ‘嘉花1號’和突變體水稻農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)

3 討論

CRISPR/Cas9技術(shù)是繼RNAi技術(shù)、鋅指核酸酶和TALEN核酸酶之后最新發(fā)展起來的一種可精確定點(diǎn)編輯基因組DNA的新技術(shù)，具有設(shè)計(jì)構(gòu)建簡單、快速等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)首先在動物中廣泛應(yīng)用，隨后科研人員將其應(yīng)用于植物基因編輯[20]。目前該技術(shù)也已成功應(yīng)用于水稻分子育種[21]。如沈蘭等[22]敲除中國東北粳稻品種控制粒型大小的GS3基因和每穗粒數(shù)的Gn1a基因，發(fā)現(xiàn)這2個(gè)基因在不同遺傳背景下對產(chǎn)量的影響是多樣的；邵高能等[20]對水稻第8染色體上編碼甜菜堿醛脫氫酶的基因Badh2進(jìn)行了編輯，獲得香稻材料；周文甲等[23]同時(shí)對水稻抽穗期基因Hd2和香味基因Badh2進(jìn)行編輯，獲得早熟香味水稻品種。本研究也成功地應(yīng)用CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)對水稻種子谷蛋白GluA3基因進(jìn)行了編輯，獲得了2種類型谷蛋白GluA3基因的突變體。

通過CRISPR/Cas9技術(shù)定點(diǎn)編輯水稻中谷蛋白基因改變谷蛋白含量及其組分，可以改善水稻蛋白品質(zhì)。如提高稻米谷蛋白含量能提升其營養(yǎng)價(jià)值，低谷蛋白品種如‘陽春’、Lgc-1[9]和‘益腎稻1號’能用于腎病患者的食療輔助。本研究在水稻谷蛋白GluA3基因第4外顯子區(qū)域設(shè)計(jì)序列特異性靶位點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)基因特異性敲除，成功獲得了GluA3基因的2種突變體材料，這2種突變體材料的GluA3 RNA表達(dá)水平均降低，蛋白翻譯提前終止，M1突變體的GluA3 蛋白分子量由原來56.03 ku 變?yōu)?1.13 ku，而M2突變體變?yōu)?1.94 ku，導(dǎo)致突變體中GluA3蛋白功能改變，且稻米中谷蛋白含量表現(xiàn)出下降趨勢。目前研究表明，稻米中谷蛋白是由多基因控制，通過對水稻全基因組數(shù)據(jù)庫(http：//rice.plantbiology.msu.edu/cgi-bin/gbrowse/rice)搜索發(fā)現(xiàn)，至少有16個(gè)谷蛋白基因(LOC_Os01g55630等)[24]。由此，今后可以進(jìn)一步利用CRISPR/Cas9技術(shù)創(chuàng)制一系列適應(yīng)市場需求的不同類型谷蛋白含量/組分的稻米新品種。另外，本研究得到2種GluA3突變體(M1、M2)，除了株高、穗長以及千粒重變化不大，其余調(diào)查農(nóng)藝性狀(穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率以及單株產(chǎn)量)均受到嚴(yán)重負(fù)面影響，這可能是GluA3基因一因多效的負(fù)作用，也可能是試驗(yàn)脫靶或組織培養(yǎng)過程中其他基因突變所致，還需進(jìn)一步探究。本研究后續(xù)將對突變體材料與野生型材料進(jìn)行回交，進(jìn)一步研究GluA3基因與穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率以及產(chǎn)量的關(guān)系。