作物学报 ›› 2025, Vol. 51 ›› Issue (5): 1156-1165.doi: 10.3724/SP.J.1006.2025.44161
黄梦欣1,2,庄灵玲1,2,程佩佩1,2,李秦1,2,徐建堂1,2,陶爱芬1,2,方平平1,2,祁建民1,2,张立武1,2,*
HUANG Meng-Xin1,2,ZHUANG Ling-Ling1,2,CHENG Pei-Pei1,2,LI Qin1,2,XU Jian-Tang1,2,TAO Ai-Fen1,2,FANG Ping-Ping1,2,QI Jian-Min1,2,ZHANG Li-Wu1,2,*
摘要:
U6启动子是CRISPR/Cas9体系中驱动单向导RNA (single guide RNA, sgRNA)转录的重要元件,内源U6启动子相比外源U6启动子通常具有更高的启动效率。然而,目前黄麻内源U6启动子的研究还尚未见报道。本研究利用拟南芥保守的sgRNA AtU6-26序列,从黄麻“梅峰4号”基因组中克隆到相似性最高的CcU6.1与CcU6.3两个候选启动子。通过构建CcU6.1与CcU6.3分别驱动GUS报告基因的融合表达载体,利用农杆菌介导的转化法分别转染本氏烟草叶片和黄麻毛状根,通过GUS组织化学染色分析启动子的转录活性。同源比对结果显示,CcU6.1与CcU6.3启动子均具有影响U6启动子转录活性的2个必要元件USE和TATA box。GUS组织化学染色表明,黄麻这2个U6启动子均具有转录活性,但在烟草叶片和黄麻毛状根中CcU6.1启动子的转录活性均弱于CcU6.3启动子,荧光定量PCR进一步验证了这一结果。考虑到过长的U6启动子可能会削弱其转录活性,于是比较分析CcU6.3与AtU6-26启动子的顺式作用元件,发现CcU6.3启动子5′端截短后的序列即从转录起始位点至?550 bp位置,可能会进一步提高其转录活性。本研究率先在黄麻中克隆到具有较高转录活性的U6启动子CcU6.3,为构建黄麻属CRISPR/Cas9基因编辑系统提供了应用潜力的启动子。
[1] Bashar K K, Tareq M Z, Kabir S M T, Hossain M S, Ahmed R, Ahmed B, Islam M S. Comparative transcriptomics discovers the genetic basis of contrasting waterlogging tolerance between two cultivated jute species. Ind Crops Prod, 2023, 199: 116701. [2] Hossain M S, Ahmed B, Ahmed R, Ullah M W, Kabir S M T, Bashar K K, Emdad E M. The lignin riddle in jute: a comparative genomic investigation identifies targets for improving fiber quality. Gene Rep, 2024, 36: 101972. [3] Wang P C, Zhang J, Sun L, Ma Y Z, Xu J, Liang S J, Deng J W, Tan J F, Zhang Q H, Tu L L, et al. High efficient multisites genome editing in allotetraploid cotton (Gossypium hirsutum) using CRISPR/Cas9 system. Plant Biotechnol J, 2018, 16: 137–150. [4] 唐维, 后猛, 宋炜涵, 闫会, 王欣, 李臣, 高闰飞, 张允刚, 李强. 甘薯U6启动子克隆及其转录活性分析. 江苏农业学报, 2024, 40: 969–974. Tang W, Hou M, Song W H, Yan H, Wang X, Li C, Gao R F, Zhang Y G, Li Q. Cloning and transcriptional activity analysis of U6 promoter in sweetpotato. Jiangsu J Agric Sci, 2024, 40: 969–974 (in Chinese with English abstract). [5] Li J F, Norville J E, Aach J, McCormack M, Zhang D D, Bush J, Church G M, Sheen J. Multiplex and homologous recombination-mediated genome editing in Arabidopsis and Nicotiana benthamiana using guide RNA and Cas9. Nat Biotechnol, 2013, 31: 688–691. [6] Feng Z Y, Zhang B T, Ding W N, Liu X D, Yang D L, Wei P L, Cao F Q, Zhu S H, Zhang F, Mao Y F, et al. Efficient genome editing in plants using a CRISPR/Cas system. Cell Res, 2013, 23: 1229–1232. [7] Jiang W Z, Zhou H B, Bi H H, Fromm M, Yang B, Weeks D P. Demonstration of CRISPR/Cas9/sgRNA-mediated targeted gene modification in Arabidopsis, tobacco, Sorghum and rice. Nucleic Acids Res, 2013, 41: e188. [8] Di Y H, Sun X J, Hu Z, Jiang Q Y, Song G H, Zhang B, Zhao S S, Zhang H. Enhancing the CRISPR/Cas9 system based on multiple GmU6 promoters in soybean. Biochem Biophys Res Commun, 2019, 519: 819–823. [9] Wang C G, Rollins J A. Efficient genome editing using endogenous U6 snRNA promoter-driven CRISPR/Cas9 sgRNA in Sclerotinia sclerotiorum. Fungal Genet Biol, 2021, 154: 103598. [10] Long L, Guo D D, Gao W, Yang W W, Hou L P, Ma X N, Miao Y C, Botella J R, Song C P. Optimization of CRISPR/Cas9 genome editing in cotton by improved sgRNA expression. Plant Methods, 2018, 14: 85. [11] Sun X J, Hu Z, Chen R, Jiang Q Y, Song G H, Zhang H, Xi Y J. Targeted mutagenesis in soybean using the CRISPR-Cas9 system. Sci Rep, 2015, 5: 10342. [12] Jiang S L, Li Q, Meng X X, Huang M X, Yao J Y, Wang C Y, Fang P P, Tao A F, Xu J T, Qi J M, et al. Development of an Agrobacterium-mediated CRISPR/Cas9 gene editing system in jute (Corchorus capsularis). Crop J, 2024, 12: 1266–1270.
[13] 王丽珊, 王珅, 王菲, 王海燕, 刘大群. 小麦TaPR1基因启动子的克隆及启动活性分析. 河北农业大学学报, 2022, 45(1): 7–11.
[14] 左春阳, 李亚玮, 李焱龙, 金双侠, 朱龙付, 张献龙, 闵玲. 陆地棉漆酶基因家族成员表达模式分析. 作物学报, 2023, 49: 2344–2361. [15] Yang Y, Li X R, Li C Y, Zhang H, Tuerxun Z, Hui F J, Li J, Liu Z G, Chen G, Cai D R, et al. Isolation and functional characterization of a constitutive promoter in upland cotton (Gossypium hirsutum L.). Int J Mol Sci, 2024, 25: 1917. [16] Seki H, Nishizawa T, Tanaka N, Niwa Y S, Yoshida S, Muranaka T. Hairy root-activation tagging: a high-throughput system for activation tagging in transformed hairy roots. Plant Mol Biol, 2005, 59: 793–807.
[17] 杨昕, 李玉, 刘传兵, 张力岚, 何青垚, 祁建民, 张立武. 黄麻内参基因筛选及次生细胞壁合成相关基因的表达分析. 作物学报, 2022, 48: 1614–1624. [18] Qi X T, Dong L, Liu C L, Mao L, Liu F, Zhang X, Cheng B J, Xie C X. Systematic identification of endogenous RNA polymerase III promoters for efficient RNA guide-based genome editing technologies in maize. Crop J, 2018, 6: 314–320. [19] Wei Y D, Qiu Y, Chen Y H, Liu G G, Zhang Y X, Xu L W, Ding Q R. CRISPR/Cas9 with single guide RNA expression driven by small tRNA promoters showed reduced editing efficiency compared to a U6 promoter. RNA, 2017, 23: 1–5. [20] Yan L, Aymerick E, Sasha Y, Bei B J, Veronica T B, Reo Y, Clarabelle C Y, Edward E B, Jenny C M, Henrik V S, et al. A screening method to identify efficient sgRNAs in Arabidopsis, used in conjunction with cell-specific lignin reduction. Biotechnology for Biofuels, 2019, 12(1): 1–15. [21] Riu Y S, Kim G H, Chung K W, Kong S G. Enhancement of the CRISPR/Cas9-based genome editing system in lettuce (Lactuca sativa L.) using the endogenous U6 promoter. Plants (Basel), 2023, 12: 878. [22] Belhaj K, Chaparro-Garcia A, Kamoun S, Nekrasov V. Plant genome editing made easy: targeted mutagenesis in model and crop plants using the CRISPR/cas system. Plant Methods, 2013, 9: 39.
[23] 郭静远, 赵辉, 屈静, 张丽丽, 郭安平. 狗尾草U6启动子的克隆及功能鉴定. 热带作物学报, 2021, 42: 3156–3164.
[24] 张立武. 专题导读: 加强麻类作物基因组学研究, 推动优异等位基因发掘及种质创新. 作物学报, 2021, 47: 993–996. [25] Li X, Jiang D H, Yong K L, Zhang D B. Varied transcriptional efficiencies of multiple Arabidopsis U6 small nuclear RNA genes. J Integr Plant Biol, 2007, 49: 222–229.
[26] 卞书迅, 韩晓蕾, 袁高鹏, 张利义, 田义, 张彩霞, 丛佩华. 苹果U6启动子的克隆及功能分析. 中国农业科学, 2019, 52: 4364–4373.
[27] 雷建峰, 李月, 徐新霞, 阿尔祖古丽·塔什, 蒲艳, 张巨松, 刘晓东. 棉花不同GbU6启动子截短克隆及功能鉴定. 作物学报, 2016, 42: 675–683. |
[1] | 曹晓晴, 祁显涛, 刘昌林, 谢传晓. 编辑ZmCCT10、ZmCCT9、ZmGhd7基因的串联DsRed荧光表达盒的CRISPR/Cas9系统的构建及验证[J]. 作物学报, 2024, 50(8): 1961-1970. |
[2] | 黄淑贤, 刘荣, 李冠, 疏琴, 徐斐, 宗绪晓, 杨涛. 通过CRISPR/Cas9建立豌豆基因组大片段敲除体系[J]. 作物学报, 2024, 50(7): 1658-1668. |
[3] | 武丽芬, 夏川, 张立超, 孔秀英, 陈景堂, 刘旭. TaEMF2调控小麦抽穗期的功能分析[J]. 作物学报, 2024, 50(12): 2940-2949. |
[4] | 上官小霞, 杨琴莉, 李换丽. 基于CRISPR/Cas9的棉花GhbHLH71基因编辑突变体的分析[J]. 作物学报, 2024, 50(1): 138-148. |
[5] | 石宇欣, 刘欣玥, 孙建强, 李晓菲, 郭潇阳, 周雅, 邱丽娟. 利用CRISPR/Cas9技术编辑GmBADH1基因改变大豆耐盐性[J]. 作物学报, 2024, 50(1): 100-109. |
[6] | 胡艳娟, 薛丹, 耿嫡, 朱末, 王天穹, 王晓雪. 水稻OsCDF1基因突变效应及其基因组变异分析[J]. 作物学报, 2023, 49(9): 2362-2372. |
[7] | 万夷曼, 肖圣慧, 白依超, 范佳音, 王琰, 吴长艾. 谷子毛状根诱导方法的建立与优化[J]. 作物学报, 2023, 49(7): 1758-1768. |
[8] | 张文宣, 梁晓梅, 戴成, 文静, 易斌, 涂金星, 沈金雄, 傅廷栋, 马朝芝. 利用CRISPR/Cas9技术突变BnaMPK6基因降低甘蓝型油菜的耐盐性[J]. 作物学报, 2023, 49(2): 321-331. |
[9] | 杨晓祎, 王慧慧, 张艳雯, 侯典云, 张红晓, 康国章, 胥华伟. 利用CRISPR/Cas9探究水稻OsPIN5c基因功能[J]. 作物学报, 2023, 49(2): 354-364. |
[10] | 牛志远, 秦超, 刘军, 王海泽, 李宏宇. 不同Cas9启动子对大豆CRISPR/Cas9系统效率的作用分析[J]. 作物学报, 2023, 49(12): 3227-3238. |
[11] | 李阿蕾, 戴志刚, 陈基权, 邓灿辉, 唐蜻, 程超华, 许英, 张小雨, 粟建光, 杨泽茂. 239份长果种黄麻种质资源萌发期耐镉性评价及耐镉资源筛选[J]. 作物学报, 2023, 49(10): 2677-2686. |
[12] | 杨昕, 李玉, 刘传兵, 张力岚, 何青垚, 祁建民, 张立武. 黄麻内参基因筛选及次生细胞壁合成相关基因的表达分析[J]. 作物学报, 2022, 48(7): 1614-1624. |
[13] | 杨昕, 林文忠, 陈思远, 杜振国, 林杰, 祁建民, 方平平, 陶爱芬, 张立武. 黄麻双生病毒CoYVV的分子鉴定和抗性种质筛选[J]. 作物学报, 2022, 48(3): 624-634. |
[14] | 郭艳春, 姚嘉瑜, 张镕斌, 陈思远, 何青垚, 陶爱芬, 方平平, 祁建民, 张列梅, 张立武. 中国黄麻炭疽病病原菌的分离鉴定及系统发育分析[J]. 作物学报, 2022, 48(3): 770-777. |
[15] | 陈向前, 姜奇彦, 孙现军, 牛风娟, 张慧媛, 胡正, 张辉. 大豆多基因编辑表达载体的构建及应用[J]. 作物学报, 2022, 48(11): 2706-2714. |
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