Induction of Male Sterility by Targeted Mutation of the RFL Gene with Crispr/Cas9-mediated Genome Ed

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甘蓝型油菜(canola,oilseed rape)是世界上最重要的油料作物之一,为人类提供食用油、牲畜业饲料和工业原料。由于巨大的人口压力,人们需要进一步提高作物的产量来满足人类的需求,利用作物的杂种优势是提高作物产量最有效的方法之一。细胞质雄性不育在油菜杂交种子的生产中应用最广泛。在过去的四十年里,人们在十字花科植物中发现了不同的细胞质雄性不育类型,同时发现了它们的恢复基因(Rf)。大多数恢复基因编码PPR蛋白,此外还有线粒体转录终止因子蛋白(m TERF)和类泛素超家族蛋白(UBL)。自2011年以来,由于育性恢复基因(RFL)与Rf基因高度相似,许多研究人员对其进行了研究。恢复基因通过与雄性不育的基因互作,在植物的育性恢复中发挥着重要作用。在當前的研究中,我們在單拷貝的Bna A09g45590D(RFL11)基因敲除中發現了幾個雄性不育系,我們將重點研究RFL-CMS的關係。我们通过使用CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术得到了BnaRFL11(bnarfl11)的突变体。通过利用CRISPR/Cas9载体(p HSE401-2g R/Cas9)对基因进行多重编辑,该载体通过农杆菌介导的转化成功地转入到纯系甘蓝型油菜Wester中。在得到的108个独立株系中,88个(81.40%)带有T-DNA插入。T0和T1代突变体植物的稳定突变株系被检测出来,平均等位基因突变传递率为81%。此外,还发现了连续两代的无T-DNA突变株。脱靶效应分析表明,7个潜在的脱靶点没有显示出脱靶效应。设计的两个sgRNA在T0代的编辑效率分别为64.81%和46.29%。在两个目标位点发生编辑的突变体bnarfl11表现出明显的雄性不育表型。突变体植株的表型观察显示花药败育阶段与nap-CMS相似,Orf222、Orf139、Ap3和nad5c基因上调。bnarfl11的石蜡切片和q RT-PCR分析表明,BnaRFL11敲除会诱导转基因品系的雄性不育发生,并且BnaRFL11存在于A09染色体上,非常接近Rfn区域。为了确定BnaRFL11的功能特征,我们利用Ca MV35S启动子(PS2300载体)过表达BnaRFL11,并通过农杆菌介导将其转入到甘蓝型油菜中。形态学和细胞学分析表明,所有的花药都明显缩短,花粉量很少,存活率很低。BnaRFL11-OE的q RTPCR分析显示在花蕾和叶片中表达较高,表明PPR编码基因在植物的营养生长和生殖生长中都是必不可少的。由此我们的结果表明,BnaRFL11基因是一个重要的育性恢复基因,它的突变表现为雄性不育,该不育系在油菜的杂种利用中具有利用的潜力。
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