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aBIOTECH | 广州大学关跃峰团队创制低植酸与产量表型平衡的基因编辑大豆
大豆(Glycine max (L.) Merr.)作为重要的粮饲兼用作物,是人类植物蛋白与动物饲料蛋白的重要来源,但大豆中存在的植酸分子(即肌醇六磷酸)却是一把双刃剑。植酸作为籽粒中磷元素的重要储存形式,为种子萌发提供能量,然而植酸作为一种抗营养因子能够螯合大量的矿物阳离子,影响动物和人类对于矿物营养的吸收,并导致难溶性植酸盐进入土壤与水域造成环境污染。饲料通常添加植酸酶来降解植酸,全球每年耗资超过3亿美金。培育低植酸作物一直是育种工作的重要方向,但低植酸品种往往导致减产,限制其推广应用。
近日,广州大学关跃峰团队在aBIOTECH发表了题为“Genome editing toward biofortified soybean with minimal trade-off between low phytic acid and yield”的研究论文。研究通过多基因编辑技术在大豆中创制基因型丰富的植酸突变体库,并经过一系列的性状考察,最终创制产量影响较小的低植酸突变体株系:lpa-1与lpa-2。
本研究基于大豆中高效的多基因编辑器靶向植酸合成基因GmIPK1以及转运基因GmMRP5,通过稳定转化并鉴定获得基因型丰富的7种大豆植酸突变体(图1A-B)。紧接着,作者对突变体种子中的植酸含量进行测定,结果显示植酸含量随着突变位点的富集而大幅度降低(12.25%-43.30%)(图1C)。籽粒中的植酸与游离磷含量存在显著的负相关关系,作者也通过钼蓝显色证实突变体中游离磷的释放(图1D)。对植酸突变体进行农艺性状考察,发现GmIPK1b与GmIPK1c的单基因突变株系lpa-1与lpa-2,表现出与对照相当的水平。而含GmMRP5a与GmMRP5b的多基因突变株系存在明显的产量降低(图1H)。
最后,作者对突变体种子的萌发与质量进行评估,多种多突变体的发芽率显著降低。相比之下,lpa-1与lpa-2则表现出正常的农艺性状与萌发率(98%)。以上结果进一步表明,超低的植酸含量对作物产量造成很大影响,而携带GmIPK的单基因突变株系往往能够维持产量并适当降低植酸含量,实现生物强化效果,这为将来的植酸育种提供有效的解决方案。
图 1 植酸突变体的创制以及农艺性状分析
广州大学生命科学学院关跃峰教授为本文通讯作者,中国农业大学三亚研究院博士生林文鑫为论文第一作者,广州大学孔凡江教授团队参与合作研究。本研究得到广州市科学基金的资助。
引用本文:Lin, W., Bai, M., Peng, C. et al. Genome editing toward biofortified soybean with minimal trade-off between low phytic acid and yield. aBIOTECH (2024). https://doi.org/10.1007/s42994-024-00158-4
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