基因编辑修饰大麦D-Hordein基因对籽粒大小和组分的作用研究

大麦是继小麦、水稻、玉米之后的第四大禾谷类粮食作物，广泛应用于啤酒酿造和饲料加工。大麦籽粒富含膳食纤维、β-葡聚糖、维生素E、酚类化合物等，也被作为保健食品进行开发。此外，大麦和小麦亲缘关系近，相对于拟南芥、短柄草等模式作物，是进行小麦基因功能研究更适宜的模式作物。项目组通过开展长期、有效的国际交流合作：与英国John Innes Centre（Wendy Harwood教授）合作，建立了大麦遗传转化平台以及基于CRISPR/Cas9技术的基因编辑技术体系，应用该技术体系成功在大麦中进行种子储藏蛋白的表达和基因编辑修饰；与澳大利亚CSIRO（Li zhongyi高级科学家）合作，开展麦类遗传修饰后籽粒蛋白、淀粉组分分析。本研究的成果为麦类基因功能验证提供了技术平台。

（1）大麦转基因技术平台

建立了大麦遗传转化平台（图1），稳定转化频率在20%以上。

图1 农杆菌介导大麦遗传转化流程

（2）外源基因表达

基于建立的大麦转基因平台将来源于普通小麦A基因组供体物种乌拉尔图小麦的高分子量谷蛋白活性1Ay基因转入大麦，成功在大麦种子中表达乌拉尔图小麦高分子量谷蛋白1Ay蛋白（如图2）。

图2 转基因后代蛋白检测、蛋白含量分析

（3）基因编辑

利用大麦转基因技术平台，进一步开展了CRISPR/Cas9基因编辑技术，成功获取了大麦D-hordein基因缺失突变体（图3）。利用T-DNA内多目标区域PCR检测，结合潮霉素抗性分析成功鉴定出无筛选标记基因的突变体后代。对纯合突变体后代籽粒的分析表明D-hordein蛋白的缺失显著改变了大麦籽粒的大小（图4）。

图3 突变植株鉴定、突变基因型分析

图4 籽粒成分分析

该结果Mutation of the D-hordein gene by RNA-guided Cas9 targeted editing reducing the grain size and changing grain compositions in barley于2019年11月19日在《Food Chemistry》在线发表： https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.125892。

该研究得到国家重点研发计划（2016YFD0100100），四川省重点研发计划（2018NZDZX0002），成都市重点研发计划（2018-YF05-00059-SN），四川省人力资源和社会保障厅留学回国人员科技活动项目择优资助（No.2014-4）项目的资助。

参考文献：

1.Yang, Q., Li, S. Y., Li, X. Y., Ma, J., Wang, J. R., Qi, P. F., Chen, G. Y., Pu, Z. E., Li, W., Wendy, H., Li, Z. Y., Liu, B. L., Lan, X. J., Deng, M., Lu, Z. X., Wei, Y. M., Zheng, Y. L., & Jiang, Q. T. (2019a). Expression of the high molecular weight glutenin 1Ay gene from Triticum urartu in barley. Transgenic Research, 28, 225-235.

2. Yang, Q., Zhong, X., Li, Q., Lan, J., Tang, H., Qi, P., ... & Jiang, Q. (2019b). Mutation of the D-hordein gene by RNA-guided Cas9 targeted editing reducing the grain size and changing grain compositions in barley. Food Chemistry, 125892.https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.125892.