海洋所在大型經(jīng)濟海藻紫菜基因編輯研究中取得重要突破
近日,中國科學院海洋研究所藻類生理過程與精準分子育種研究團隊在大型經(jīng)濟海藻反向遺傳學研究中取得重大進展,成功實現(xiàn)了條斑紫菜精準基因編輯,為大型經(jīng)濟海藻分子設(shè)計育種鋪平了道路。
紫菜為重要大型經(jīng)濟海藻,營養(yǎng)豐富,味道鮮美,是中國、日本和韓國等國家主要的大型海藻養(yǎng)殖物種,也是經(jīng)濟價值最高的經(jīng)濟海藻。同時,紫菜所屬的紅藻門在光合生物進化過程中處于關(guān)鍵地位,被視為“節(jié)點”類群,是研究大型海藻基礎(chǔ)生物學的潛在模式物種。然而,紫菜基因組復雜,GC含量極高,且存在大量特殊結(jié)構(gòu)。因此,突破紫菜基因編輯,實現(xiàn)精準分子育種,是國際上多個研究團隊努力攻克的世界難題。
研究團隊巧妙利用紫菜生活史特征,設(shè)計了特定物種的基因編輯策略,優(yōu)化了基因編輯體系,創(chuàng)新性地將篩選標記和Cas9基因進行富集表達,顯著提高了篩選藻株的陽性率。同時,該研究首次克隆了紫菜的Pol Ⅲ型啟動子,并成功用于引導RNA的表達,完成了基于CRISPR/Cas系統(tǒng)開展紫菜基因編輯的最后一塊拼圖,實現(xiàn)了紫菜靶向基因的精準敲除,并獲得了具有育種意義的系列基因編輯藻株。這一成果的取得,表明海洋所在紫菜基因編輯的研究方面處于國際前列。

條斑紫菜功能模塊設(shè)計及基因編輯載體構(gòu)建??

條斑紫菜靶基因編輯結(jié)果
海洋所紫菜研究具有悠久的歷史。上世紀五十年代初期,在英國藻類學家德魯(K. M. Drew)的研究基礎(chǔ)上,海洋所曾呈奎先生和張德瑞先生與日本藻類學家黑木宗尚(M. Kurogi)分別完成了紫菜生活史研究,找到了紫菜的“種子”來源,率先進行了絲狀體規(guī)模培養(yǎng),為紫菜人工養(yǎng)殖奠定了堅實的科學基礎(chǔ)。上世紀五十年代末至六十年代初,在曾呈奎先生的全面規(guī)劃、設(shè)計和指導下,張德瑞、趙汝英、費修綆和李家俊等先生先后突破了紫菜半人工采苗和全人工采苗關(guān)鍵技術(shù)“瓶頸”,為我國紫菜人工養(yǎng)殖提供了技術(shù)支撐。與此同時,張德瑞和鄭寶福等先生科學鑒定并命名了壇紫菜,系統(tǒng)分析了形態(tài)結(jié)構(gòu)特征,為其發(fā)展為我國主要紫菜養(yǎng)殖物種提供了理論依據(jù)。上世紀七十年代開始,費修綆先生系統(tǒng)開展了紫菜種苗工程研究,并取得了重大成功。這些成果在我國紫菜產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中具有里程碑意義。
在海洋所前輩藻類學家研究成果的基礎(chǔ)上,藻類生理過程與精準分子育種研究團隊優(yōu)化了紫菜遺傳轉(zhuǎn)化過程,突破了基因編輯技術(shù)“瓶頸”。該成果近期在線發(fā)表于經(jīng)典植物學期刊New Phytologist(中科院1區(qū)Top期刊)上。中國科學院海洋研究所博士研究生王紅、解修俊副研究員為論文共同第一作者,解修俊副研究員和王廣策研究員為共同通訊作者。研究得到了山東省重點研發(fā)計劃(重大科技創(chuàng)新工程)、國家重點研發(fā)計劃等項目資助。
相關(guān)論文:Wang, H., Xie, X., Gu, W., Zheng, Z., Zhuo, J., Shao, Z., Huan, L., Zhang, B., Niu, J., Gao, S., Wang, X. and Wang, G. (2024), Gene editing of economic macroalga Neopyropia yezoensis (Rhodophyta) will promote its development into a model species of marine algae. New Phytol. https://doi.org/10.1111/nph.20123
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