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基因编辑技术创制出高抗性淀粉小麦新种质

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  近日,中国农业科学院作物科学研究所利用CRISPR/Cas9基因编辑技术,定点编辑敲除冬小麦品种“郑麦7698”和春小麦品种“Bobwhite”中的 SBEIIa 基因,分别获得了高抗性淀粉的冬、春小麦新种质,为培育营养功能型小麦新品种提供了新途径。相关研究成果在线发表于《植物生物技术杂志(Plant Biotechnology Journal)》。

  据夏兰琴研究员介绍,淀粉是小麦籽粒的主要组成部分,占小麦胚乳重量的80%以上。淀粉是由直链淀粉和支链淀粉组成,其中直链淀粉约占15%~25%,支链淀粉约占75%~85%。抗性淀粉又称抗酶解淀粉或难消化淀粉,主要存在于高直链、低支链淀粉颗粒中,其含量与高直链淀粉含量呈直线正相关。研究发现抗性淀粉具有调节、保护小肠,防止糖尿病和脂肪堆积以及促进锌、钙、镁离子的吸收等功能,是一种非常重要的膳食纤维资源,对于改善人类健康、降低糖尿病、高血脂和肥胖症等多种慢性疾病风险具有重要意义。目前,培育高抗性淀粉谷物作物已成为国内外育种和功能食品研究热点。然而,由于缺乏高抗性淀粉小麦种质资源,利用常规技术难以培育高抗性淀粉小麦品种,而利用基因编辑创制高抗性淀粉小麦的研究,目前尚未见国内外相关报道。

  淀粉分支酶是直接参与支链淀粉生物合成的关键酶,研究表明抑制小麦 SBEIIa 基因的表达可显著提高直链淀粉含量。该研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术,在冬小麦“郑麦7698”和春小麦“Bobwhite”两个品种中定点编辑 SBEIIa 基因,经过后代分离筛选,成功获得“郑麦7698”系列无转基因突变体,包括 AAbbDDAABBddaabbDDAAbbddaaBBddaabbdd ,在春小麦“Bobwhite”中获得了无转基因 AAbbdd aabbdd 两个突变体。分析发现 SBEIIa 基因编辑具有剂量叠加效应,其中,两个品种 aabbdd 三缺失突变体和Bobwhite的 AAbbdd 突变体显著影响淀粉颗粒大小和形态、支链淀粉的精细结构、淀粉的理化和营养特性。 aabbdd 三缺失突变体的直链淀粉、抗性淀粉、可溶性戊聚糖和蛋白质含量显著增加。消化后,还原糖含量显著降低,说明创制的高直链淀粉小麦具有潜在的营养保健功能。该研究结果为进一步通过基因组编辑技术,提高谷类作物抗性淀粉含量提供了依据。

  

  图:冬小麦“郑麦7698”和春小麦“Bobwhite”不同 sbeIIa 缺失突变体创制、农艺性状、淀粉大小和结构及其理化和营养特性

  该研究得到国家基础科技研发计划、中国农科院科技创新工程与“农科英才”特支计划项目资助。(通讯员 卫斐)

  原文链接:http://doi.org/10.1111/pbi.13519

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