Horticulture Research |突破！我国科学家克隆到第一个大麻产量基因

植物科学最前沿 · 公众号 · · 2024-06-17 10:59

正文

近日，中国农业科学院麻类研究所联合国内外多家单位，在著名学术期刊《园艺研究（ Horticulture Research ）》（园艺一区TOP1）上发表题为“ CsMIKC1 regulates inflorescence development and grain production in Cannabis sativa plants ”的研究论文。这是在大麻中成功克隆的第一个产量基因，是大麻分子育种领域的重大突破。值得注意的是，这是世界上首次在大麻本体中通过基因编辑和转基因实现功能验证的研究报道，摆脱了一直以来大麻类植物只能通过烟草等模式植物间接验证的窘境，大麻类植物研究成果的严谨性将不再受到质疑。自此大麻类植物研究的“卡脖子”问题被彻底解决。

一直以来，大麻属作物的分子生物学研究都严重落后于其他作物。张小雨研究员带领成员通过不断摸索，建立了大麻的遗传转化体系，在世界范围内首次实现大麻稳定基因编辑和转基因 ^[1] 。在此基础上通过两年的刻苦攻关，克隆到世界上第一个大麻产量基因CsMIKC1及其上游调节基因、互作基因和下游靶基因，构建了一个较为完整的乙烯调控下的大麻花序发育分子网络，并通过基因编辑和转基因技术在这种作物中验证了多个基因功能。对于乙烯在调控大麻花序发育和籽粒产量方面的信号通路进行了阐释，解答了大麻增产的机理。相关基因的克隆对于提高医用大麻花叶产量及工业大麻籽粒产量奠定了理论基础，也为培育高产优质大麻品种指明了方向。

大麻根据其致幻成分四氢大麻酚（THC）含量由高到低，可以分为：娱乐大麻、医用大麻和工业大麻三大类。其中工业大麻THC含量小于0.3%不具有成瘾性，在我国云南、黑龙江等省份可以合法种植。作为一种药用植物，工业大麻在西药和中药中得到了广泛使用，其花穗中的大麻二酚（CBD）在抗抑郁、抗炎和缓解疼痛等方面具有重要的药用价值，开花后结的种子又被称为火麻仁，由于其营养成分高，被用作病人术后恢复期营养补充剂，目前收录于国家药典，在我国已有5000余年的食用历史。随着医药界对大麻素药用价值的认识逐渐增加 ^{[2, 3]} ，仅CBD产品的年交易额就达890亿美元。Grand View Research预测2023年至2030年期间，全球大麻市场将以25.5%的年复合增长率增长。目前全球工业大麻种植、加工和利用的分布总体呈现了欧盟、北美、中国三大主产区的格局，种植面积占全球80%以上。国际市场对于CBD以及火麻仁需求巨大，提高产量是目前大麻研究领域的主要目标，选育具有优质穗部性状的高产品种是育种专家们急需解决的问题。

本研究以穗部发育差异较大的大麻品种DMG12和YMG26为亲本构建群体，通过图位克隆的方法定位到一个调节大麻每枝花序数、花叶产量以及籽粒产量的主效QTL，命名为 QId.ibfc-8L ，并克隆了一个MADS转录因子家族基因 CsMIKC1 。通过序列和转录水平分析发现，亲本系之间的 CsMIKC1 等位基因由于启动子区域的序列差异造成转录水平差异。通过创制 CsMIKC1 过表达的转基因大麻和使用基因编辑技术创制的基因编辑大麻对 CsMIKC1 功能进行表征。 CsMIKC1 过表达导致每个分支的花序数量增加，并且最终籽粒产量增加， CsMIKC1 敲除后，花序数量减少且最终籽粒产量降低。本研究使用 Y2H鉴定出CsMIKC1的互作因子CsVIP3,并使用BiFC进一步验证了这种相互作用。研究人员对CsMIKC1进行Y1H 筛选，鉴定到CsMIKC1的上游调节基因 CsBPC2 ，其蛋白能够与 CsMIKC1 启动子结合并调控其表达。课题组对 CsBPC2 进行基因编辑，产生的突变系表现出更加明显的花序退化和籽粒产量减少表型。由于BPC2已被证实是乙烯、ABA和BA等信号通路成员。本研究使用乙烯利、乙烯抑制剂硫代硫酸银（STS）及其他植物激素对 CsMIKC1 基因编辑植株、 CsBPC2 基因编辑植株和非转基因对照进行处理，通过相关突变体基因表达水平及穗部表型的变化证明了 CsBPC2 和 CsMIKC1 是大麻乙烯信号途径的重要成员。通过分析不同遗传背景下花序发育相关基因在转基因植株、基因编辑植株及基因沉默材料中的转录水平，确定了6个开花相关基因的表达受到CsBPC2、CsMIKC1和CsVIP3的整体调控，使大麻多个产量相关性状发生变化。

图1 CsMIKC1 过表达和基因编辑对于大麻花叶产量和籽粒产量性状的影响。

图2 a-f CsBPC2 基因编辑对于大麻花叶产量和籽粒产量性状的影响; g,h植物激素处理对于基因编辑植株 CsMIKC1 表达水平和穗部性状的影响。

麻类所毕业研究生许根成（现为南京农业大学博士研究生在读）、湖南科技职业学院教师刘永蓓、美国俄克拉荷马州立大学虞舒皓助理教授和河北科技大学孔德晶博士为论文共同第一作者，麻类所种质资源团队张小雨研究员，粟建光研究员和南京农业大学李超教授为本文共同通讯作者。该研究得到湖南省自然科学基金、湖湘青年英才、国家自然科学基金、中国农业科学院青年创新专项和河北省教育厅科技项目的资助。

原文链接：

https://academic.oup.com/hr/advance-article-abstract/doi/10.1093/hr/uhae161/7691881?utm_source=advanceaccess&utm_campaign=hr&utm_medium=email

参考文献：

1. Zhang, X., Xu, G., Cheng, C., Lei, L., Sun, J., Xu, Y., Deng, C., Dai, Z., Yang, Z., Chen, X. and Liu, C., 2021. Establishment of an Agrobacterium‐mediated genetic transformation and CRISPR/Cas9‐mediated targeted mutagenesis in Hemp (Cannabis Sativa L.). Plant biotechnology journal, 19(10), pp.1979-1987.

Horticulture Research |突破！我国科学家克隆到第一个大麻产量基因

正文

请到「今天看啥」查看全文