CN108866093B - 一种利用CRISPR/Cas9系统对紫花苜蓿基因定点突变的方法 - Google Patents

一种利用CRISPR/Cas9系统对紫花苜蓿基因定点突变的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用CRISPR/Cas9系统对紫花苜蓿基因定点突变的方法。本发明首次在异花授粉的同源四倍体植物紫花苜蓿中使用CRISPR/Cas9技术，并获得突变植株；首次使用MtU6启动子在紫花苜蓿中启动sgRNA转录，提高转录效率；与自然突变以及传统人工诱导突变相比，本发明以更高的突变效率精准地引入突变，能达到突变率52%，其中纯合突变率达12%。本发明直接在基因编码序列上进行突变，为在紫花苜蓿中进行基因编辑开辟了新的领域，为后续同时沉默多个基因、染色体大片段缺失、外源基因精准插入靶点、基因调控等奠定了技术基础。

Description

一种利用CRISPR/Cas9系统对紫花苜蓿基因定点突变的方法
技术领域
本发明属于基因编辑技术领域，尤其涉及一种利用CRISPR/Cas9系统对紫花苜蓿基因定点突变的方法。
背景技术
紫花苜蓿(Medicago sativa.)是广泛种植的豆科牧草，富含优质膳食纤维、食用蛋白、多种维生素(包括维生素B、维生素C、维生素E等)、多种有益的矿物质以及皂苷、黄酮类、类胡萝卜素、酚醛酸等生物活性成分，蛋白含量高、适口性好，对于提升牲畜的饲料水平具有重要意义。除了作为饲草料作物，紫花苜蓿发达的根系在防治水土流失、环境治理方面发挥重要作用。此外，因为紫花苜蓿根部有大量的固氮微生物共生，紫花苜蓿在改善土壤肥力上也具有重要的意义。针对紫花苜蓿基因功能的研究有助于改善紫花苜蓿的性状，辅助培育具备更优性状的紫花苜蓿新品种。在紫花苜蓿中使用基因沉默技术抑制目的基因的表达是研究基因功能与培育新品种的一种非常有效的手段。
自然界中虽经常发生自发突变，但突变频率极低，大多数基因位点每代自发突变的突变率约为10-5或10-6，且只有发生上在配子中的突变才可以传到下一代。通过化学诱变、物理诱变以及DNA插入突变等诱变方法处理植物材料，可以在短时间内获得有利用价值的突变体。诱变因素引发的突变频率较高，比自发突变频率高几百倍，甚至上千倍，而且诱发突变的变异范围广泛，类型多样，有时能够诱发产生自然界稀有的或未曾有过的新突变。但是通过诱变方式引入的突变是随机的，很难针对某一位点得到纯合突变体，同样的，使用诱变方法产生的突变只有发生在配子中的突变才可以传到下一代。靶向基因沉默技术是研究特定基因功能的有效手段。目前，针对靶向基因沉默已经开发出RNAi(RNA干扰)，以及ZFN、TALLEN、CRISPR/Cas9等基因编辑技术。RNAi技术主要降解目的基因转录出来的mRNA序列，下调mRNA的翻译水平，从而实现抑制目的基因表达的作用。但是，通过RNAi技术降低目的基因表达时，目的基因的基因序列没有被突变，在一定程度上仍可能有目的基因表达。相反，使用ZFN、TALLEN、CRISPR/Cas9技术实现的基因沉默，在DNA水平上突变基因序列，使基因彻底丧失功能。与RNAi相比，这三种技术更加稳定、高效。在TALEN、ZFN、CRISPR/Cas9三种技术中，TALEN与ZFN需要针对每一个靶位点将识别不同碱基的氨基酸序列元件按靶点序列拼装起来，每一个靶位点都有自己独特的蛋白质序列，这就导致该过程耗时、耗力、成本高昂。与TALLEN以及ZFN不同的是，CRISPR/Cas9技术是通过sgRNA上的靶向序列识别靶位点，靶向序列与靶点之间通过碱基互补配对的方式互相识别，这种方式更加简便、廉价、操作方便。所以，自2013年CRISPR/Cas9技术被首次应用于基因编辑以来，得到快速、广泛的发展。CRISPR/Cas9系统是来自链球菌属的一种获得性免疫系统，可以抵御外源基因的入侵。它主要由CRISPR和特异的Cas9蛋白组成。CRISPR是一成簇的规律间隔的短回文重复序列，是一类新型的DNA重复序列，它由一系列短的高度保守的正向重复序列和长度相似的间隔序列间隔排列组成。Cas9蛋白是一种由1409个氨基酸组成的多结构域蛋白，含有两个核酸酶结构域RuvC-like和HNH。基于CRISPR/Cas9的基因组编辑体系包括2部分：sgRNA及酶Cas9。这种系统能够特异的识别毗邻PAM(NGG)基序的靶序列，并在其上游3nt处进行切割形成DSB(double strains break),随后机体通过自身的修复机制如同源重组(HR)、非同源末端连接(NHEJ)来修复损伤的DNA。NHEJ方式的修复过程能够产生Indel(包括缺失和插入)，进而导致DNA编码序列移码突变。
紫花苜蓿是严格异花授粉的同源四倍体植物，每个座位有四个等位基因，如果需要针对某一座位获得可稳定遗传的纯合突变体品系，最理想的就是获得同时突变了四个等位基因的多个株系，能够实现多个株系间的杂交与稳定遗传；其次就是通过自然发生的或诱变产生的杂合突变体之间的反复杂交获得可稳定遗传的纯合突变体品系，但这是一个耗时、耗力、高投入、低效率的过程。因此综合而言，在紫花苜蓿中利用自然发生的或者诱变产生的突变体通过杂交获得能够稳定遗传的纯合突变体尤为困难，这严重阻碍了紫花苜蓿的研究与育种，尤其针对只有获得纯合体才能表现出性状变化的隐性基因突变而言更加困难。在紫花苜蓿中开发高效的靶向突变技术实现在一个世代之内获得稳定遗传的纯合突变体，对于紫花苜蓿研究与育种意义重大。目前在紫花苜蓿中已知的是使用RNAi技术降低紫花苜蓿基因的表达，尚无使用ZFN、TALEN、CRISPR/Cas9等基因编辑技术进行基因编辑获得纯合突变体的报道。如上文所述，与ZFN、TALEN、CRISPR/Cas9等基因编辑技术相比，RNAi因其沉默不彻底以及不稳定的特性，限制了该技术的应用。在水稻、拟南芥、番茄、杨树、白杨、苹果、小麦、玉米、大豆等物种中通过CRISPR/Cas9技术已经成功获得可稳定遗传的纯合突变体，但在紫花苜蓿中还没有使用CRISPR/Cas9等靶向基因编辑技术进行基因编辑的报道。
发明内容
为了在同源四倍体植物紫花苜蓿中实现基因编辑，并运用于生产，我们针对紫花苜蓿开发了一项利用CRISPR/Cas9系统实现定点突变的方法，实现了紫花苜蓿中的精准定点基因突变，突变率高达52％，并获得了具备理想表型的同时沉默了四个等位基因的纯合突变植株(纯合突变率达12％)，率先在紫花苜蓿中建立了高效的靶向基因编辑体系，对紫花苜蓿研究与育种具有重大意义。因此，本发明拟提供一种利用CRISPR/Cas9系统对紫花苜蓿基因定点突变的方法。
本发明的技术方案如下：
一种利用CRISPR/Cas9系统对紫花苜蓿基因定点突变的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤(1)构建紫花苜蓿中通用的由根癌农杆菌介导转化的双元表达载体MsCRISPR/Cas9；
步骤(2)针对紫花苜蓿中的目标基因设计基于CRISPR/Cas9的sgRNA靶向序列，将含有编码所述sgRNA靶向序列的DNA片段连接到紫花苜蓿中通用的载体MsCRISPR/Cas9中构建载体MsCRISPR/Cas9::target；
步骤(3)使用根癌农杆菌介导转化紫花苜蓿，实现对紫花苜蓿中特定基因的定点突变。
进一步地，所述紫花苜蓿包括野生品种、地方品种、育成品种、引进品种。
进一步地，所述目标基因包括紫花苜蓿基因组中任何有生物学功能的基因或DNA序列。
进一步地，所述的在紫花苜蓿中表达CRISPR/Cas9系统的双元表达载体MsCRISPR/Cas9的全序列如SEQ ID NO.1所示。
该技术依托的是通过根癌农杆菌对紫花苜蓿进行转化，通过转化将含有筛选基因Hpt表达框、sgRNA表达框以及Cas9蛋白表达框的T-DNA序列整合到紫花苜蓿基因组中获得转基因植株，转化的外源表达元件在紫花苜蓿中表达，从而发挥功能，获得基因敲除的植株。针对农杆菌转化的方式，构建了一个表达载体MsCRISPR/Cas9。
优选地，所述的在紫花苜蓿中表达CRISPR/Cas9系统的双元表达载体MsCRISPR/Cas9的骨架载体是pCambia1300载体，所述的pCambia1300骨架载体上有一段用于转化植物的T-DNA区域，所述T-DNA区域包含一个左边界重复序列(LB repeat)、一个右边界重复序列(RB repeat)以及左右边界序列内部的用于转化的序列，所述的T-DNA区域左右边界内部用于转化的序列中包含表达抗植物筛选剂潮霉素的蛋白的Hpt基因表达元件、表达Cas9蛋白的表达元件、表达sgRNA的表达元件以及sgRNA表达元件内部两个Aar1酶切位点之间的靶点序列，所述Hpt基因表达元件内部包含启动Hpt基因转录的Camv 35S promoter(enhanced)启动子序列、表达Hpt基因的CDS序列和终止Hpt基因转录的Camv poly(A)终止序列，所述表达Cas9蛋白的表达元件内部包含启动Cas9序列转录的2xCaMV 35S promoter启动子序列、表达Cas9的DNA序列和终止Cas9转录的Nos terminator终止序列，所述表达sgRNA的表达元件内部包含启动sgRNA序列转录的蒺藜苜蓿MtU6启动子序列和包含有表达sgRNA的DNA序列。
在该载体(图1)中，LB T-DNA repeat/RB T-DNA repeat表示T-DNA左右边界重复序列；CaMV 35s promoter/MtU6promoter/2x CaMV 35s promoter表示启动子元件；Hpt/sgRNA/Cas9表示基因序列；CaMV poly(A)/NosT代表终止序列；AarI代表sgRNA靶向序列插入位点。如图1所示：使用蒺藜苜蓿U6启动子启动sgRNA表达；2XCaMV35S启动子启动Cas9基因表达；CaMV35S(Enhanced)启动子启动筛选标记基因Hpt表达。
进一步地，所述的MtU6启动子的序列SEQ ID NO.2所示。
优选地，所述的表达sgRNA的DNA序列如SEQ ID NO.3所示，表达sgRNA的DNA序列中第1位到第30位的序列内部包含两个AarI限制性内切酶识别位点，用以针对目标基因构建定点突变的表达载体。
进一步地，所述表达载体MsCRISPR/Cas9::target构建方法操作如下：
步骤(1)根据靶点序列设计一对oligo引物(18-24bp),形成如下两端带有接头的DNA片段,并合成：
5’-T T T G N16-23-3’
3’-C N16-23 C A A A-5’；
步骤(2)将上述合成的引物对进行退火，形成带粘性末端的互补DNA双链片段；
步骤(3)使用AarI限制性内切酶酶切双元表达载体MsCRISPR/Cas9；经CIP反应去磷酸化后在0.8-1.2％的琼脂糖凝胶中进行电泳分离，回收纯化线性载体；
步骤(4)将退火化后带粘性末端的互补DNA双链片段DNA与回收纯化的MsCRISPR/Cas9线性载体使用T4DNA连接酶在16℃水浴锅中连接10-16h；
步骤(5)将连接产物通过热击法转化大肠杆菌DH5ɑ感受态细胞，复苏后涂布于含50mg/L卡那霉素的LB平板培养基上，37℃培养箱培养12-16h；
步骤(6)挑取单菌落克隆于1.5ml含50mg/L卡那霉素的LB液体培养基中，37℃摇床摇12-16h；
步骤(7)使用测序引物MtU6-T-F对单克隆菌液进行测序，选择靶点连接正确的克隆于50-100ml含50mg/L卡那霉素的LB液体培养基中，37℃摇床摇12-16h，提取质粒。
进一步地，所述测序引物MtU6-T-F的序列如SEQ ID NO.4所示。
优选地，所述使用根癌农杆菌介导转化紫花苜蓿获得突变植株的方法包含以下步骤：
步骤(1)根癌农杆菌菌种复苏；将电击转化后的农杆菌菌株涂布于YM固体平板培养基中，25-29℃培养24h-48h；挑取单克隆，接种于30-50mLYM液体培养基中，25-29℃摇床上100-220r/min摇24h-48h；所述YM固体培养基和YM液体培养基中均包含30-60mg/L卡那霉素和200-450mg/L利福平；
步骤(2)紫花苜蓿愈伤组织的获得:所述紫花苜蓿愈伤组织获得过程如下：
挑选饱满、色泽圆润的紫花苜蓿种子，65-80％酒精浸泡1-3分钟，无菌水洗2-4次，每次0.5-2分钟；0.05-0.15％升汞浸泡并手摇6-12分钟，无菌水洗3～5次，接种于MS固体培养基上，光照培养箱或培养室中萌发7-16天；
取萌发后的子叶和下胚轴，切成小块接种于愈伤诱导培养基中，25±1℃培养箱或培养室中暗培养2～4天；所述愈伤诱导培养基成分为：SH基础培养基+1.0-3.0mg/L 2,4-D(2,4-二氟苯氧乙酸)+0.1-0.3mg/L KT(激动素)+0.1-0.5mg/L水解络蛋白+15-40g/L蔗糖+5.8-9g/L琼脂；优选地，所述愈伤诱导培养基成分为：SH基础培养基+2mg/L 2,4-D+0.2mg/LKT+0.3mg/L水解络蛋白+30g/L蔗糖+8g/L琼脂；
步骤(3)根癌农杆菌侵染紫花苜蓿愈伤组织:所述农杆菌菌株侵染紫花苜蓿愈伤组织过程如下：提前1-2天将步骤(1)复苏的根癌农杆菌菌株接种于50-100mL的YM液体培养基(Sigma公司)中，25-29℃摇床上100-220r/min培养至OD值260/280在0.5-0.8之间；将菌液转移到50mL无菌离心管中，离心机中0-8℃条件下3000-4500r/min离心10-15分钟，取出离心管，弃上清液，加入重悬液重悬至OD值260/280在0.5-0.8之间，加入50-150umol/L乙酰丁香酮，重悬液为MS液体培养基；将步骤(2)中诱导的愈伤组织收集到带透气塑料封口膜的无菌三角瓶中，倒入重悬后的农杆菌菌液，用三角瓶自带的封口膜封口，真空泵中抽真空到0.5kpa，一共抽0.5-1.5h，期间每10-15min的时候轻轻摇晃一下；取出三角瓶，25-29℃摇床上100-150r/min摇0.5-1.5h，倒干菌液，将材料摊开在铺了滤纸的无菌培养皿中晾干；
步骤(4)被根癌农杆菌侵染过的紫花苜蓿愈伤组织共培养:所述共培养过程如下：将晾干的侵染过的材料接种于共培养培养基(培养基中铺一张灭菌滤纸)，25±1℃培养箱中暗培养2-5天；所述共培养培养基成分为：MS基础培养基+1-3mg/L 2,4-D+0.1-0.3mg/LKT+15-40g/L蔗糖+5.8-9g/L琼脂+50-150umol/L乙酰丁香酮；优选地，所述共培养培养基成分为：MS基础培养基+2mg/L 2,4-D+0.2mg/L KT+30g/L蔗糖+8g/L琼脂+100umol/L乙酰丁香酮；
步骤(5)紫花苜蓿愈伤组织筛选培养:所述筛选培养过程如下：将共培养得到的材料接种于筛选培养基，25±1℃培养箱或培养室中光照培养30-60天；所述筛选培养基成分为：SH基础培养基+1-3mg/L 2,4-D+0.1-0.3mg/L KT+15-40g/L蔗糖+5.8-9g/L琼脂+150-450mg/L头孢噻亏+150-450mg/L羧苄青霉素+10-50mg/L潮霉素；优选地，所述筛选培养基成分为：SH基础培养基+2mg/L2,4-D+0.2mg/L KT+30g/L蔗糖+8g/L琼脂+250mg/L头孢噻亏+250mg/L羧苄青霉素+15mg/L潮霉素；
步骤(6)紫花苜蓿愈伤组织分化培养:将筛选培养后的材料转接至分化培养基，25±1℃培养箱或培养室中光照培养15-30天；所述分化培养基成分为：UM基础培养基+0.5-5g/L水解络蛋白+0.1-2mg/L激动素+15-40g/L蔗糖+5.8-9g/L琼脂+150-450mg/L头孢噻亏+4-10mg/L潮霉素；优选地，所述分化培养基成分为：UM基础培养基+2g/L水解络蛋白+0.4mg/L激动素+30g/L蔗糖+8g/L琼脂+250mg/L头孢噻亏+5mg/L潮霉素；
步骤(7)紫花苜蓿再生芽生根培养:将分化出的1-3cm的芽转接至生根培养基，培养基成分为：MS基础培养基+0.5-2mg/L吲哚丁酸+15-40g/L蔗糖+5.8-9g/L琼脂+150-450mg/L头孢噻肟；优选地，所述生根培养基成分为：MS基础培养基+1mg/L吲哚丁酸+30g/L蔗糖+8g/L琼脂+250mg/L头孢噻亏；
步骤(8)紫花苜蓿突变株的筛选与检测，所述紫花苜蓿突变株的筛选与检测的方法包括PCR-RE、T7E1酶切检测与靶点深度测序。检测方法具体如下：
PCR-RE检测：将上述获得的再生植株提取DNA样品，针对靶基因序列设计特异性的扩增引物进行扩增。若扩增所得的片段中，在Cas9蛋白切割位点上有特异性内切酶酶切位点，则发生突变的序列内因其酶切位点丢失不能被限制性内切酶切割。具体操作为：a.利用针对靶基因设计的特异性引物扩增再生植株与对照植株靶基因片段；b.将扩增所得目标片段回收，利用靶点特异的限制性内切酶对目标片段进行酶切；c.将酶切产物通过琼脂糖凝胶电泳检测，电泳结果分析：若再生苗扩增产物进行限制性内切酶酶切后，电泳条带中有条带与未进行酶切的对照序列条带大小一致且无其他条带，而进行限制性内切酶酶切的对照序列被切割为两条较小条带，则说明靶基因被敲除且再生苗为纯合突变类型；若再生苗扩增产物进行限制性内切酶酶切后，电泳结果中有条带与未进行酶切的对照序列条带大小一致，且有条带与进行限制性内切酶酶切后的对照序列的两条较小条带大小一致，则说明靶基因被敲除且再生苗为杂合突变类型；若再生苗扩增产物进行限制性内切酶酶切后，电泳条带中没有条带与未进行酶切的对照序列条带大小一致，且酶切后的条带与且进行限制性内切酶酶切后的对照序列的两条较小条带大小一致，则说明靶基因没有被敲除；d.将上述未被切割的条带回收，并通过TA克隆连接到pMD19-T上，转化大肠杆菌以后挑选一批单克隆进行测序，分析靶点上的突变类型。
T7E1检测：将上述获得的再生植株提取DNA样品，针对靶基因序列设计特异性的扩增引物进行扩增。若扩增所得的靶基因片段中，在Cas9蛋白切割位点处没有限制性内切酶酶切位点，则通过T7E1酶切方式检测突变植株。具体操作为：a.设计引物扩增靶基因序列；b.将野生型与再生植株的靶基因扩增产物进行混合；c.将混合的产物进行变性、复性；d.使用T7E1酶(NEB公司)对复性后的产物进行酶切，在琼脂糖凝胶电泳进行检测。结果分析：若是再生植株中的靶基因存在突变，则经过变性与复性后，会与野生型植株的扩增产物形成异源双链核酸分子，该异源双链核酸分子能够被T7E1酶切割得到两条理想大小的条带；e.将能被T7E1酶酶切的再生苗的PCR产物进行TA克隆连接到pMD19-T载体(Takara公司)上，转化大肠杆菌以后挑选一批单克隆进行测序，分析在靶位点上的突变类型以及再生苗是否为纯合敲除。
靶点深度测序检测：将上述获得的再生植株提取DNA样品，针对靶基因序列设计特异性的扩增引物进行扩增。将PCR产物进行TA克隆连接到pMD19-T载体上，转化大肠杆菌以后挑选一批单克隆进行靶点深度测序，分析在靶位点上是否有突变、分析突变类型。
同时，本发明还保护利用CRISPR/Cas9系统对紫花苜蓿基因定点突变的方法在紫花苜蓿育种和基因编辑紫花苜蓿育种中的应用。
本发明在紫花苜蓿中首次成功建立了基于CRISPR/Cas9的基因编辑技术体系，成功实现了对目的基因的敲除并获得了具有明显表型的纯合突变植株。本发明为了在同源四倍体植物紫花苜蓿中实现基因编辑，在基于已有的根癌农杆菌转化紫花苜蓿获得转基因植株的平台基础上，采用农杆菌转化的方法将含有表达抗筛选剂潮霉素的蛋白的Hpt基因的表达框、sgRNA表达框、Cas9蛋白表达框的T-DNA区域整合到紫花苜蓿基因组上，这些元件在紫花苜蓿细胞内转录、翻译并发挥功能，通过筛选获得目的基因被敲除的突变体转化植株。通过转基因方式将CRISPR/Cas9系统导入紫花苜蓿中进行表达的关键点在于寻找合适的启动子启动各个元件的表达，其中启动Hpt基因转录的CaMV 35S(Enhanced)启动子与启动Cas9基因转录的2xCaMV 35S启动子已经被证明可以在紫花苜蓿中启动相关基因转录并发挥功能；启动sgRNA转录的启动子一般为U6或者U3启动子，但在紫花苜蓿中尚无研究U6/U3启动子的报道，为了在紫花目中高效启动sgRNA的转录，通过文献资料调研，选择紫花苜蓿的同属近源种蒺藜苜蓿中研究较多的MtU6启动子启动sgRNA的转录。
与现有的在紫花苜蓿中使用RNAi进行基因表达下调的技术相比，本发明的优点在于：本发明首次在异花授粉的同源四倍体植物紫花苜蓿中使用CRISPR/Cas9技术，并获得纯合突变植株；首次使用MtU6启动子在紫花苜蓿中启动sgRNA转录，MtU6启动子来源于紫花苜蓿的近源物种蒺藜苜蓿，该启动子已经被证明能够在紫花苜蓿近缘种蒺藜苜蓿中启动snRNA(small nuclear RNA)的转录，通过RNAi与CRISPR/Cas9实现蒺藜苜蓿中的基因表达沉默。在紫花苜蓿中使用蒺藜苜蓿MtU6启动sgRNA转录比使用其他亲缘关系较远的物种效率会更高。
1.本发明能够实现异花授粉的同源四倍体紫花苜蓿中在一个世代之内获得纯合突变体，具有重要的科研与应用价值，可以加速紫花苜蓿育种。
2.首次在紫花苜蓿中建立了基于根癌农杆菌转化的紫花苜蓿CRISPR/Cas9基因敲除平台，为紫花苜蓿及其它植物基因编辑奠定基础，可以直接在基因编码序列上进行突变，使目的基因沉默、丧失功能，该技术更加彻底、稳定。
3.与自然突变以及传统人工诱导突变相比，本发明以更高的突变效率精准地引入突变，能达到突变率52％(其中纯合突变率达12％)。
4.该技术为在紫花苜蓿中进行基因编辑开辟了一个新的领域，为后续同时沉默多个基因、染色体大片段缺失、外源基因精准插入靶点等奠定了技术基础；同时，利用CRISPR/Cas9的定点功能，我们可以将Cas9蛋白突变失活成为dCas9，通过在dCas9上偶联具备其他功能的蛋白结构域实现靶基因的表达上调/下调、甲基化/去甲基化、碱基替换等。
附图说明
图1为MsCRISPR/Cas9表达载体结构图；
图2为将含有PDS基因靶点的CRISPR/Cas9表达载体MsCRISPR/Cas9::PDS通过根癌农杆菌侵染紫花苜蓿获得的野生型与突变型再生植株；
图3为紫花苜蓿野生型与突变型植株PDS基因PCR产物测序结果；
图4为将含有PALM1基因靶点的CRISPR/Cas9表达载体的根癌农杆菌侵染紫花苜蓿获得的再生植株，经PCR-RE检测筛选突变植株的琼脂糖凝胶电泳结果；
图5为将含有PALM1基因靶点的CRISPR/Cas9表达载体MsCRISPR/Cas9::PALM1的根癌农杆菌侵染紫花苜蓿获得的野生型与突变型植株的叶片表型；
图6为紫花苜蓿野生型与突变型植株PALM1基因PCR产物测序结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，但本发明并不局限于以下技术方案。
实施例1利用CRISPR/Cas9系统对花苜蓿中八氢番茄红素脱氢酶编码基因PDS突变
八氢番茄红素脱氢酶(phytoene desaturase,PDS)，是类胡萝卜色素合成途径中的主要限速酶，可催化无色C40八氢番茄红素生成ζ-胡萝卜素、链孢红素、番茄红素、3,4-脱氢番茄红素、3,4,3‘4’-脱氢番茄红素或3,4-脱氢链孢红素等。该基因的突变植株表现出白化表型，便于观察。在植物中以该基因作为靶基因是检测基因敲除体系是否工作以及评估工作效率的一种便捷地方法。
依据紫花苜蓿近源种蒺藜苜蓿中的PDS序列，设计引物扩增紫花苜蓿PDS基因序列并测序，依据所得PDS基因序列并参考蒺藜苜蓿中的案例，设计靶位点；将靶位点连接到载体1300DM-MtU6(Aar1)-Cas9的位点上获得针对PDS基因的敲除载体，将该载体通过上述根癌农杆菌转化的方式转化紫花苜蓿外殖体，并获得再生植株(图2)。其中表达载体构建、农杆菌菌株的制备、使用农杆菌进行转化、突变体的筛选与检测过程如下：
一、表达载体构建过程如下：
1.根据靶点序列设计一对oligo引物(18-24bp),形成如下两端带有接头的DNA片段,并合成：
5’-T T T G N16-23-3’
3’-C N16-23 C AAA-5’；
2.将上述合成的成对引物进行退火；
3.使用Aar1酶酶切载体1300DM-MtU6(Aar1)-Cas9；CIP反应后在0.8-1.2％的琼脂糖凝胶中进行分离，割胶回收线性载体；
4.将退火磷酸化的DNA片段与胶回收的1300DM-MtU6(Aar1)-Cas9线性载体使用T4DNA连接酶在16℃水浴锅中连接10-16h；
5.将连接产物通过热击法转化大肠杆菌DH5ɑ感受态细胞，复苏后涂布于含50mg/L卡那霉素的LB平板培养基上37℃培养箱培养12-16h；
6.挑取单克隆于1.5ml含50mg/L卡那霉素的LB液体培养基中，37℃摇床摇12-16h；
7.使用测序引物对单克隆菌液进行测序，选择靶点连接正确的克隆于50-100ml含50mg/L卡那霉素的LB液体培养基中，37℃摇床摇12-16h,提取质粒。测序引物如下：
MtU6-T-F:GGCATGCAAGCTTATCGATAC。
二、农杆菌菌株的制备
将上述表达载体通过电击法转化根癌农杆菌菌株EHA105感受态细胞中，复苏并涂布于YM培养基(附加50mg/L卡那霉素，250mg/L利福平)中，28℃培养24h-48h；挑取单克隆，接种于30-50mlYM液体培养基中(附加50mg/L卡那霉素，250mg/L利福平)，28℃摇床上200r/min摇24h-48h。
三、使用农杆菌进行转化
使用农杆菌转化的方式将表达CRISPR/Cas9系统以及抗植物筛选剂的Hpt蛋白的DNA序列整合到紫花苜蓿基因组中，使这些元件的表达产物发挥功能，通过筛选获得目的基因被沉默的阳性植株。具体的转化方式如下：
1.紫花苜蓿种子萌发：挑选饱满、色泽圆润的紫花苜蓿种子，75％酒精浸泡2分钟，无菌水洗两次，每次1分钟；0.1％升汞浸泡并手摇10分钟，无菌水洗五次。将灭菌种子摊开于含滤纸的无菌大培养皿中，风干。接种于MS固体培养基上，光照培养箱或培养室中萌发7-14天；
2.愈伤组织诱导：取上述萌发苗的子叶和下胚轴，无菌手术刀切成小块，接种于愈伤诱导培养基中，25±1℃培养箱或培养室中暗培养3天。愈伤诱导培养基成分为：SH基础培养基+2mg/L 2,4-D+0.2mg/L KT+0.3mg/L水解络蛋白+30g/L蔗糖+8g/L琼脂；；
3.侵染：提前1-2天将上述制备的根癌农杆菌菌株接种于50-100ml的YM液体培养基中，28℃摇床上200r/min培养至OD值260/280在0.5-0.8之间；将菌液转移到50ml无菌离心管中，离心机中4℃条件下4000r/min离心12分钟，取出离心管，弃上清液，加入重悬液重悬至OD值260/280在0.5-0.8之间，依据每升加入100umol乙酰丁香酮加入对应体积的100umol/ml的乙酰丁香酮，重悬液为MS液体培养基(MS+30g/L蔗糖)；将步骤2中诱导的外殖体收集到带透气塑料封口膜的100ml无菌三角瓶，倒入适量重悬后的菌液(能没过材料即可)，用三角瓶自带的封口膜封口，真空泵中抽真空到0.5kpa，一共抽1h，期间每15min的时候轻轻摇晃一下；取出三角瓶，28℃摇床上120r/min摇1h，倒干菌液，将材料摊开在铺了滤纸的无菌培养皿中晾干；
4.共培养：将上述晾干的侵染过的材料接种于共培养培养基(培养基中铺一张灭菌滤纸)，共培养培养基成分为：MS基础培养基+2mg/L 2,4-D+0.2mg/L KT+30g/L蔗糖+8g/L琼脂+100umol/L乙酰丁香酮。25±1℃培养箱或培养室中暗培养3天。
5.筛选：将上述共培养材料接种于筛选培养基,筛选培养基成分为：SH基础培养基+2mg/L 2,4-D+0.2mg/L KT+30g/L蔗糖+8g/L琼脂+250mg/L头孢噻亏+250mg/L羧苄青霉素+15mg/L潮霉素；25±1℃培养箱或培养室中光照培养30-60天；
6.分化：将上述恢复的材料转接至分化培养基，分化培养基成分为：UM基础培养基+2g/L水解络蛋白+0.4mg/L激动素+30g/L蔗糖+8g/L琼脂+250mg/L头孢噻亏+5mg/L潮霉素；
7.生根：将上述分化出的1-3cm的芽转接至生根培养基，生根培养基成分为：MS基础培养基+1mg/L吲哚丁酸+30g/L蔗糖+8g/L琼脂+250mg/L头孢噻亏。
四、突变体的筛选与检测
靶点深度测序检测：将获得的再生植株提取DNA样品，用针对靶基因PDS序列的特异性扩增引物进行扩增。将PCR产物进行TA克隆连接到pMD19-T载体上，转化大肠杆菌菌株DH5ɑ以后挑选一批单克隆进行靶点深度测序，分析在靶位点上是否有突变、分析突变类型。
通过实验与检测，我们发现：
通过表型观察，获得一株白化苗(图2)，将白化苗提取DNA样品并扩增PDS基因序列，测序结果(图3)表明：该植株在靶位点上有2bp碱基缺失，碱基缺失位点为Cas9蛋白的切割位点。
图2表明：野生型(PDS-wt)；突变型(PDS-mt)。野生型植株表现出正常的绿色表型；突变植株表现出白色表型。该结果与白杨、苹果等物种中通过CRISPR/Cas9介导的PDS基因敲除所获得的植株表型一致。说明所得的白化苗很可能是由导入的CRISPR/Cas9系统介导的PDS基因突变引起。
图3表明：从测序结果看，PDS突变植株与野生型相比，在靶点上有2bp的碱基缺失且该突变发生在Cas9蛋白的切割位点上。说明图2中的紫花苜蓿白化苗是由CRISPR/Cas9切割PDS基因靶位点，导致基因修复过程中有2bp碱基缺失所引起的。
实施例2紫花苜蓿中PALM1基因突变
与实施例1不同之处在于：
依据紫花苜蓿近源种蒺藜苜蓿中的PALM1序列，设计引物扩增紫花苜蓿MsPALM1基因序列并测序，依据所得MsPALM1基因序列设计靶位点；将靶位点连接到载体MsCRISPR/Cas9的位点上获得针对MsPALM1基因的敲除载体MsCRISPR/Cas9::PALM1，将该载体通过上述根癌农杆菌转化的方式转化紫花苜蓿外殖体，并获得再生植株；检测方式为PCR-RE，将所获得的再生植株提取基因组DNA样品，用针对MsPALM1基因包含靶点序列的特异性扩增引物进行扩增，并通过BstU I限制性内切酶酶切PCR产物筛选突变株(图4)；并通过表型观察(图5)与靶点深度测序(图6)确认突变。
图4表明：通过PCR-RE检测，在所抽检的25株紫花苜蓿再生植株中，共有13株突变植株(在768bp处有不可被限制性内切酶BstUI所切割的条带)，其中有10株杂合突变株(除了在768bp处有不可被限制性内切酶BstUI所切割的条带外，还有被限制性内切酶BstUI切割后生成的两条带，分别位于442bp与326bp处)，有3株纯合突变植株(只在768bp处有不可被限制性内切酶BstUI所切割的条带)；突变率达52％，其中纯合突变率达12％。
图5表明，在所抽检的25株紫花苜蓿再生植株中，有三株的复叶(从左往右第二、三、四号)表现出明显的表型变化，与对照(从左往右第一号)相比，突变植株的复叶中小叶数由三个变为五个。其中，第3号突变株(也即图4中的第20号)在PCR-RE结果中出现微弱的可被BstUI限制性内切酶切割的条带，这或许是因为T0代植株为嵌合体的原因。
图6表明，从图4所筛选得到的植株中抽取一部分针对MsPALM1基因进行靶点深度测序，在MsPALM1基因上的CRISPR/Cas9的预定靶点处成功引入了突变。
以上结果表明：使用CRISPR/Cas9技术在紫花苜蓿中成功实现定点突变。
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ttctgctcgc cgctcaggaa ggcgggcttt ctcattccct cggtcacgta tttcactttg 3780
gtcagctcgt tatacacggt gaagtactcg tacagcaggc tgtgcttggg cagcaccttc 3840
tcgttgggca ggttcttatc gaagttggtc atccgctcga tgaagctctg ggcggaagcg 3900
cccttgtcca ccacttcctc gaagttccag ggggtgatgg tttcctcgct ctttctggtc 3960
atccaggcga atctgctgtt tcccctggcc agagggccca cgtagtaggg gatgcggaag 4020
gtcaggatct tctcgatctt ttcccggttg tccttcagga atgggtaaaa atcttcctgc 4080
cgccgcagaa tggcgtgcag ctctcccagg tggatctggt gggggatgct gccgttgtcg 4140
aaggtccgct gcttccgcag caggtcctct ctgttcagct tcacgagcag ttcctcggtg 4200
ccgtccatct tttccaggat gggcttgatg aacttgtaga actcttcctg gctggctccg 4260
ccgtcaatgt agccggcgta gccgttcttg ctctggtcga agaaaatctc tttgtacttc 4320
tcaggcagct gctgccgcac gagagctttc agcagggtca ggtcctggtg gtgctcgtcg 4380
tatctcttga tcatagaggc gctcaggggg gccttggtga tctcggtgtt cactctcagg 4440
atgtcgctca gcaggatggc gtcggacagg ttcttggcgg ccagaaacag gtcggcgtac 4500
tggtcgccga tctgggccag caggttgtcc aggtcgtcgt cgtaggtgtc cttgctcagc 4560
tgcagtttgg catcctcggc caggtcgaag ttgctcttga agttgggggt caggcccagg 4620
ctcagggcaa tcaggtttcc gaacaggcca ttcttcttct cgccgggcag ctgggcgatc 4680
agattttcca gccgtctgct cttgctcagt ctggcagaca ggatggcctt ggcgtccacg 4740
ccgctggcgt tgatggggtt ttcctcgaac agctggttgt aggtctgcac cagctggatg 4800
aacagcttgt ccacgtcgct gttgtcgggg ttcaggtcgc cctcgatcag gaagtggccc 4860
cggaacttga tcatgtgggc cagggccaga tagatcagcc gcaggtcggc cttgtcggtg 4920
ctgtccacca gtttctttct caggtggtag atggtggggt acttctcgtg gtaggccacc 4980
tcgtccacga tgttgccgaa gatggggtgc cgctcgtgct tcttatcctc ttccaccagg 5040
aaggactctt ccagtctgtg gaagaagctg tcgtccacct tggccatctc gttgctgaag 5100
atctcttgca gatagcagat ccggttcttc cgtctggtgt atcttcttct ggcggttctc 5160
ttcagccggg tggcctcggc tgtttcgccg ctgtcgaaca gcagggctcc gatcaggttc 5220
ttcttgatgc tgtgccggtc ggtgttgccc agcaccttga atttcttgct gggcaccttg 5280
tactcgtcgg tgatcacggc ccagcccaca gagttggtgc cgatgtccag gccgatgctg 5340
tacttcttgt cggctgctgg gactccgtgg ataccgacct tccgcttctt ctttggggcc 5400
atcttatcgt catcgtcttt gtaatcaata tcatgatcct tgtagtctcc gtcgtggtcc 5460
ttatagtcca tctcgagtat cgttcgtaaa tggtgaaaat tttcagaaaa ttgcttttgc 5520
tttaaaagaa atgatttaaa ttgctgcaat agaagtagaa tgcttgattg cttgagattc 5580
gtttgttttg tatatgttgt gttgaggtcg aggtcctctc caaatgaaat gaacttcctt 5640
atatagagga agggtcttgc gaaggatagt gggattgtgc gtcatccctt acgtcagtgg 5700
agatatcaca tcaatccact tgctttgaag acgtggttgg aacgtcttct ttttccacga 5760
tgctcctcgt gggtgggggt ccatctttgg gaccactgtc ggcagaggca tcttcaacga 5820
tggcctttcc tttatcgcaa tgatggcatt tgtaggagcc accttccttt tccactatct 5880
tcacaataaa gtgacagata gctgggcaat ggaatccgag gaggtttccg gatatcaccc 5940
tttgttgaaa agtctcaatt gccctttggt cttctgagac tgtatctttg atatttttgg 6000
agtagacaag tgtgtcgtgc tccaccatgt tatcacatca atccacttgc tttgaagacg 6060
tggttggaac gtcttctttt tccacgatgc tcctcgtggg tgggggtcca tctttgggac 6120
cactgtcggc agaggcatct tcaacgatgg cctttccttt atcgcaatga tggcatttgt 6180
aggagccacc ttccttttcc actatcttca caataaagtg acagatagct gggcaatgga 6240
atccgaggag gtttccggat attacccttt gttgaaaagt ctcaattgcc ctttggtctt 6300
ctgagactgt atctttgata tttttggagt agacaagtgt gtcgtgctcc accatgttga 6360
cctgcaggca tgcaagctta tcgataccgt cgacctgcag ccaagcttat ccaacatttc 6420
acttgagtta actcaatagc aagaataacg tccatagttt cagcattcaa gcaaaacggc 6480
caagaaaatc agcttggtaa tttcagtgag acctggacta ccataagcag caccgcctat 6540
tacacttaat ggggtaaagt aaaacgagcc acatcacctc cttgatttta aggagcattt 6600
gaaggagtat aaaaagaatg tatgtaatgt aaggttgtgt tgtgtcattc aagatagcaa 6660
gacggaccaa agcttctatg tatctatcta tgtctatgat atgatgattg tattgatttg 6720
gtttgagtac agtgagggag agggaggaac ttcttcactt gtttatttaa cctgaaactc 6780
aactcaaatc actgagagtg aatgttgaga aataagtatt atgttatgtt tgctttgcta 6840
ttagtcccac atcgcttaca tatacttcag ttatattgtt tatatagcct agacgaacag 6900
cagggtttgg ctcgcaggtg aacacaacac ctgcacacgt tttagagcta gaaatagcaa 6960
gttaaaataa ggctagtccg ttatcaactt gaaaaagtgg caccgagtcg gtgctttttt 7020
tttaagcttg gcgcgccggg cccaacatgg tggagcacga cactctcgtc tactccaaga 7080
atatcaaaga tacagtctca gaagaccaaa gggctattga gacttttcaa caaagggtaa 7140
tatcgggaaa cctcctcgga ttccattgcc cagctatctg tcacttcatc aaaaggacag 7200
tagaaaagga aggtggcacc tacaaatgcc atcattgcga taaaggaaag gctatcgttc 7260
aagatgcctc tgccgacagt ggtcccaaag atggaccccc acccacgagg agcatcgtgg 7320
aaaaagaaga cgttccaacc acgtcttcaa agcaagtgga ttgatgtgaa catggtggag 7380
cacgacactc tcgtctactc caagaatatc aaagatacag tctcagaaga ccaaagggct 7440
attgagactt ttcaacaaag ggtaatatcg ggaaacctcc tcggattcca ttgcccagct 7500
atctgtcact tcatcaaaag gacagtagaa aaggaaggtg gcacctacaa atgccatcat 7560
tgcgataaag gaaaggctat cgttcaagat gcctctgccg acagtggtcc caaagatgga 7620
cccccaccca cgaggagcat cgtggaaaaa gaagacgttc caaccacgtc ttcaaagcaa 7680
gtggattgat gtgatatctc cactgacgta agggatgacg cacaatccca ctatccttcg 7740
caagaccctt cctctatata aggaagttca tttcatttgg agaggacacg ctgaaatcac 7800
cagtctctct ctacaaatct atctctctcg agctttcgca gatccggggg gcaatgagat 7860
atgaaaaagc ctgaactcac cgcgacgtct gtcgagaagt ttctgatcga aaagttcgac 7920
agcgtctccg acctgatgca gctctcggag ggcgaagaat ctcgtgcttt cagcttcgat 7980
gtaggagggc gtggatatgt cctgcgggta aatagctgcg ccgatggttt ctacaaagat 8040
cgttatgttt atcggcactt tgcatcggcc gcgctcccga ttccggaagt gcttgacatt 8100
ggggagttta gcgagagcct gacctattgc atctcccgcc gttcacaggg tgtcacgttg 8160
caagacctgc ctgaaaccga actgcccgct gttctacaac cggtcgcgga ggctatggat 8220
gcgatcgctg cggccgatct tagccagacg agcgggttcg gcccattcgg accgcaagga 8280
atcggtcaat acactacatg gcgtgatttc atatgcgcga ttgctgatcc ccatgtgtat 8340
cactggcaaa ctgtgatgga cgacaccgtc agtgcgtccg tcgcgcaggc tctcgatgag 8400
ctgatgcttt gggccgagga ctgccccgaa gtccggcacc tcgtgcacgc ggatttcggc 8460
tccaacaatg tcctgacgga caatggccgc ataacagcgg tcattgactg gagcgaggcg 8520
atgttcgggg attcccaata cgaggtcgcc aacatcttct tctggaggcc gtggttggct 8580
tgtatggagc agcagacgcg ctacttcgag cggaggcatc cggagcttgc aggatcgcca 8640
cgactccggg cgtatatgct ccgcattggt cttgaccaac tctatcagag cttggttgac 8700
ggcaatttcg atgatgcagc ttgggcgcag ggtcgatgcg acgcaatcgt ccgatccgga 8760
gccgggactg tcgggcgtac acaaatcgcc cgcagaagcg cggccgtctg gaccgatggc 8820
tgtgtagaag tactcgccga tagtggaaac cgacgcccca gcactcgtcc gagggcaaag 8880
aaatagagta gatgccgacc gggatctgtc gatcgacaag ctcgagtttc tccataataa 8940
tgtgtgagta gttcccagat aagggaatta gggttcctat agggtttcgc tcatgtgttg 9000
agcatataag aaacccttag tatgtatttg tatttgtaaa atacttctat caataaaatt 9060
tctaattcct aaaaccaaaa tccagtacta aaatccagat cccccgaatt aattcggcgt 9120
taattcagta cattaaaaac gtccgcaatg tgttattaag ttgtctaagc gtcaatttgt 9180
ttacaccaca atatatcctg ccaccagcca gccaacagct ccccgaccgg cagctcggca 9240
caaaatcacc actcgataca ggcagcccat cagtccggga cggcgtcagc gggagagccg 9300
ttgtaaggcg gcagactttg ctcatgttac cgatgctatt cggaagaacg gcaactaagc 9360
tgccgggttt gaaacacgga tgatctcgcg gagggtagca tgttgattgt aacgatgaca 9420
gagcgttgct gcctgtgatc accgcggttt caaaatcggc tccgtcgata ctatgttata 9480
cgccaacttt gaaaacaact ttgaaaaagc tgttttctgg tatttaaggt tttagaatgc 9540
aaggaacagt gaattggagt tcgtcttgtt ataattagct tcttggggta tctttaaata 9600
ctgtagaaaa gaggaaggaa ataataaatg gctaaaatga gaatatcacc ggaattgaaa 9660
aaactgatcg aaaaataccg ctgcgtaaaa gatacggaag gaatgtctcc tgctaaggta 9720
tataagctgg tgggagaaaa tgaaaaccta tatttaaaaa tgacggacag ccggtataaa 9780
gggaccacct atgatgtgga acgggaaaag gacatgatgc tatggctgga aggaaagctg 9840
cctgttccaa aggtcctgca ctttgaacgg catgatggct ggagcaatct gctcatgagt 9900
gaggccgatg gcgtcctttg ctcggaagag tatgaagatg aacaaagccc tgaaaagatt 9960
atcgagctgt atgcggagtg catcaggctc tttcactcca tcgacatatc ggattgtccc 10020
tatacgaata gcttagacag ccgcttagcc gaattggatt acttactgaa taacgatctg 10080
gccgatgtgg attgcgaaaa ctgggaagaa gacactccat ttaaagatcc gcgcgagctg 10140
tatgattttt taaagacgga aaagcccgaa gaggaacttg tcttttccca cggcgacctg 10200
ggagacagca acatctttgt gaaagatggc aaagtaagtg gctttattga tcttgggaga 10260
agcggcaggg cggacaagtg gtatgacatt gccttctgcg tccggtcgat cagggaggat 10320
atcggggaag aacagtatgt cgagctattt tttgacttac tggggatcaa gcctgattgg 10380
gagaaaataa aatattatat tttactggat gaattgtttt agtacctaga atgcatgacc 10440
aaaatccctt aacgtgagtt ttcgttccac tgagcgtcag accccgtaga aaagatcaaa 10500
ggatcttctt gagatccttt ttttctgcgc gtaatctgct gcttgcaaac aaaaaaacca 10560
ccgctaccag cggtggtttg tttgccggat caagagctac caactctttt tccgaaggta 10620
actggcttca gcagagcgca gataccaaat actgtccttc tagtgtagcc gtagttaggc 10680
caccacttca agaactctgt agcaccgcct acatacctcg ctctgctaat cctgttacca 10740
gtggctgctg ccagtggcga taagtcgtgt cttaccgggt tggactcaag acgatagtta 10800
ccggataagg cgcagcggtc gggctgaacg gggggttcgt gcacacagcc cagcttggag 10860
cgaacgacct acaccgaact gagataccta cagcgtgagc tatgagaaag cgccacgctt 10920
cccgaaggga gaaaggcgga caggtatccg gtaagcggca gggtcggaac aggagagcgc 10980
acgagggagc ttccaggggg aaacgcctgg tatctttata gtcctgtcgg gtttcgccac 11040
ctctgacttg agcgtcgatt tttgtgatgc tcgtcagggg ggcggagcct atggaaaaac 11100
gccagcaacg cggccttttt acggttcctg gccttttgct ggccttttgc tcacatgttc 11160
tttcctgcgt tatcccctga ttctgtggat aaccgtatta ccgcctttga gtgagctgat 11220
accgctcgcc gcagccgaac gaccgagcgc agcgagtcag tgagcgagga agcggaactg 11280
cgcctgatgc ggtattttct ccttacgcat ctgtgcggta tttcacaccg catatggtgc 11340
actctcagta caatctgctc tgatgccgca tagttaagcc agtatacact ccgctatcgc 11400
tacgtgactg ggtcatggct gcgccccgac acccgccaac acccgctgac gcgccctgac 11460
gggcttgtct gctcccggca tccgcttaca gacaagctgt gaccgtctcc gggagctgca 11520
tgtgtcagag gttttcaccg tcatcaccga aacgcgcgag gcagggtgcc ttgatgtggg 11580
cgccggcggt cgagtggcga cggcgcggct tgtccgcgcc ctggtagatt gcctggccgt 11640
aggccagcca tttttgagcg gccagcggcc gcgataggcc gacgcgaagc ggcggggcgt 11700
agggagcgca gcgaccgaag ggtaggcgct ttttgcagca cttcggctgt gcgctggcca 11760
gacagttatg cacaggccag gcgggtttta agagttttaa taagttttaa agagttttag 11820
gcggaaaaat cgcctttttt ctcttttata tcagtcactt acatgtgtga ccggttccca 11880
atgtacggct ttgggttccc aatgtacggg ttccggttcc caatgtacgg ctttgggttc 11940
ccaatgtacg tgctatccac aggaaagaga ccttttcgac ctttttcccc tgctagggca 12000
atttgcccta gcatctgctc cgtacattag gaaccggcgg atgcttcgcc ctcgatcagg 12060
ttgcggtagc gcatgactag gatcgggcca gcctgccccg cctcctcctt caaatcgtac 12120
tccggcaggt catttgaccc gatcagcttg cgcacggtga aacagaactt cttgaactct 12180
ccggcgctgc cactgcgttc gtagatcgtc ttgaacaacc atctggcttc tgccttgcct 12240
gcggcgcggc gtgccaggcg gtagagaaaa cggccgatgc cgggatcgat caaaaagtaa 12300
tcggggtgaa ccgtcagcac gtccgggttc ttgccttctg tgatctcgcg gtacatccaa 12360
tcagctagct cgatctcgat gtactccggc cgcccggttt cgctctttac gatcttgtag 12420
cggctaatca aggcttcacc ctcggatacc gtcaccaggc ggccgttctt ggccttcttc 12480
gtacgctgca tggcaacgtg cgtggtgttt aaccgaatgc aggtttctac caggtcgtct 12540
ttctgctttc cgccatcggc tcgccggcag aacttgagta cgtccgcaac gtgtggacgg 12600
aacacgcggc cgggcttgtc tcccttccct tcccggtatc ggttcatgga ttcggttaga 12660
tgggaaaccg ccatcagtac caggtcgtaa tcccacacac tggccatgcc ggccggccct 12720
gcggaaacct ctacgtgccc gtctggaagc tcgtagcgga tcacctcgcc agctcgtcgg 12780
tcacgcttcg acagacggaa aacggccacg tccatgatgc tgcgactatc gcgggtgccc 12840
acgtcataga gcatcggaac gaaaaaatct ggttgctcgt cgcccttggg cggcttccta 12900
atcgacggcg caccggctgc cggcggttgc cgggattctt tgcggattcg atcagcggcc 12960
gcttgccacg attcaccggg gcgtgcttct gcctcgatgc gttgccgctg ggcggcctgc 13020
gcggccttca acttctccac caggtcatca cccagcgccg cgccgatttg taccgggccg 13080
gatggtttgc gaccgctcac gccgattcct cgggcttggg ggttccagtg ccattgcagg 13140
gccggcaggc aacccagccg cttacgcctg gccaaccgcc cgttcctcca cacatggggc 13200
attccacggc gtcggtgcct ggttgttctt gattttccat gccgcctcct ttagccgcta 13260
aaattcatct actcatttat tcatttgctc atttactctg gtagctgcgc gatgtattca 13320
gatagcagct cggtaatggt cttgccttgg cgtaccgcgt acatcttcag cttggtgtga 13380
tcctccgccg gcaactgaaa gttgacccgc ttcatggctg gcgtgtctgc caggctggcc 13440
aacgttgcag ccttgctgct gcgtgcgctc ggacggccgg cacttagcgt gtttgtgctt 13500
ttgctcattt tctctttacc tcattaactc aaatgagttt tgatttaatt tcagcggcca 13560
gcgcctggac ctcgcgggca gcgtcgccct cgggttctga ttcaagaacg gttgtgccgg 13620
cggcggcagt gcctgggtag ctcacgcgct gcgtgatacg ggactcaaga atgggcagct 13680
cgtacccggc cagcgcctcg gcaacctcac cgccgatgcg cgtgcctttg atcgcccgcg 13740
acacgacaaa ggccgcttgt agccttccat ccgtgacctc aatgcgctgc ttaaccagct 13800
ccaccaggtc ggcggtggcc catatgtcgt aagggcttgg ctgcaccgga atcagcacga 13860
agtcggctgc cttgatcgcg gacacagcca agtccgccgc ctggggcgct ccgtcgatca 13920
ctacgaagtc gcgccggccg atggccttca cgtcgcggtc aatcgtcggg cggtcgatgc 13980
cgacaacggt tagcggttga tcttcccgca cggccgccca atcgcgggca ctgccctggg 14040
gatcggaatc gactaacaga acatcggccc cggcgagttg cagggcgcgg gctagatggg 14100
ttgcgatggt cgtcttgcct gacccgcctt tctggttaag tacagcgata accttcatgc 14160
gttccccttg cgtatttgtt tatttactca tcgcatcata tacgcagcga ccgcatgacg 14220
caagctgttt tactcaaata cacatcacct ttttagacgg cggcgctcgg tttcttcagc 14280
ggccaagctg gccggccagg ccgccagctt ggcatcagac aaaccggcca ggatttcatg 14340
cagccgcacg gttgagacgt gcgcgggcgg ctcgaacacg tacccggccg cgatcatctc 14400
cgcctcgatc tcttcggtaa tgaaaaacgg ttcgtcctgg ccgtcctggt gcggtttcat 14460
gcttgttcct cttggcgttc attctcggcg gccgccaggg cgtcggcctc ggtcaatgcg 14520
tcctcacgga aggcaccgcg ccgcctggcc tcggtgggcg tcacttcctc gctgcgctca 14580
agtgcgcggt acagggtcga gcgatgcacg ccaagcagtg cagccgcctc tttcacggtg 14640
cggccttcct ggtcgatcag ctcgcgggcg tgcgcgatct gtgccggggt gagggtaggg 14700
cgggggccaa acttcacgcc tcgggccttg gcggcctcgc gcccgctccg ggtgcggtcg 14760
atgattaggg aacgctcgaa ctcggcaatg ccggcgaaca cggtcaacac catgcggccg 14820
gccggcgtgg tggtgtcggc ccacggctct gccaggctac gcaggcccgc gccggcctcc 14880
tggatgcgct cggcaatgtc cagtaggtcg cgggtgctgc gggccaggcg gtctagcctg 14940
gtcactgtca c 14951
<210> 2
<211> 500
<212> DNA
<213> 人工合成
<400> 2
atccaacatt tcacttgagt taactcaata gcaagaataa cgtccatagt ttcagcattc 60
aagcaaaacg gccaagaaaa tcagcttggt aatttcagtg agacctggac taccataagc 120
agcaccgcct attacactta atggggtaaa gtaaaacgag ccacatcacc tccttgattt 180
taaggagcat ttgaaggagt ataaaaagaa tgtatgtaat gtaaggttgt gttgtgtcat 240
tcaagatagc aagacggacc aaagcttcta tgtatctatc tatgtctatg atatgatgat 300
tgtattgatt tggtttgagt acagtgaggg agagggagga acttcttcac ttgtttattt 360
aacctgaaac tcaactcaaa tcactgagag tgaatgttga gaaataagta ttatgttatg 420
tttgctttgc tattagtccc acatcgctta catatacttc agttatattg tttatatagc 480
ctagacgaac agcagggttt 500
<210> 3
<211> 115
<212> DNA
<213> 人工合成
<400> 3
ggctcgcagg tgaacacaac acctgcacac gttttagagc tagaaatagc aagttaaaat 60
aaggctagtc cgttatcaac ttgaaaaagt ggcaccgagt cggtgctttt ttttt 115
<210> 4
<211> 21
<212> DNA
<213> 人工合成
<400> 4
ggcatgcaag cttatcgata c 21

Claims (7)

1.一种利用CRISPR/Cas9系统对紫花苜蓿基因定点突变的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤(1)构建紫花苜蓿中通用的由根癌农杆菌介导转化的双元表达载体MsCRISPR/Cas9；所述双元表达载体MsCRISPR/Cas9的全序列如SEQ ID NO.1所示；
步骤(2)针对紫花苜蓿中的目标基因设计基于CRISPR/Cas9的靶标序列，将含有编码所述靶标序列的DNA片段连接到紫花苜蓿中通用的载体MsCRISPR/Cas9中构建载体MsCRISPR/Cas9::target；
步骤(3)使用根癌农杆菌介导转化紫花苜蓿，实现对紫花苜蓿中特定基因的定点突变；
所述的在紫花苜蓿中表达CRISPR/Cas9系统的双元表达载体MsCRISPR/Cas9的骨架载体是pCambia1300载体，所述的pCambia1300骨架载体上有一段用于转化植物的T-DNA区域，所述T-DNA区域包含一个左边界重复序列LB repeat、一个右边界重复序列RB repeat以及左右边界序列内部的用于转化的序列，所述的T-DNA区域左右边界内部用于转化的序列中包含表达抗植物筛选剂潮霉素的蛋白的Hpt基因表达元件、表达Cas9蛋白的表达元件、表达sgRNA的表达元件以及sgRNA表达元件内部两个AarⅠ酶切位点之间的靶点序列，所述Hpt基因表达元件内部包含启动Hpt基因转录的CaMV 35S promoter enhanced启动子序列、表达Hpt基因的CDS序列和终止Hpt基因转录的Camv poly A终止序列，所述表达Cas9蛋白的表达元件内部包含启动Cas9序列转录的2xCaMV 35S promoter启动子序列、表达Cas9的DNA序列和终止Cas9转录的Nos terminator终止序列，所述表达sgRNA的表达元件内部包含启动sgRNA序列转录的蒺藜苜蓿MtU6启动子序列和包含有表达sgRNA的DNA序列；
所述的MtU6启动子的序列如SEQ ID NO.2所示。
2.根据权利要求1所述的利用CRISPR/Cas9系统对紫花苜蓿基因定点突变的方法，其特征在于，所述目标基因包括紫花苜蓿基因组中任何有生物学功能的基因或DNA序列。
3.如权利要求1-2任一所述的利用CRISPR/Cas9系统对紫花苜蓿基因定点突变的方法，其特征在于，所述表达载体MsCRISPR/Cas9::target构建方法操作如下：
步骤(1)根据靶点序列设计一对oligo引物18-24bp，能形成如下两端带有接头的DNA片段，并合成：
5’-T T T G N16-23-3’
3’-C N16-23 C A A A-5’；
步骤(2)将上述合成的引物对进行退火反应，形成带粘性末端的互补oligo引物二聚体双链片段；
步骤(3)使用AarI限制性内切酶酶切双元表达载体MsCRISPR/Cas9；经小牛碱性磷酸酶CIP去磷酸化反应后在0.8-1.2％的琼脂糖凝胶中进行电泳分离，回收纯化线性载体；
步骤(4)将退火磷酸化后带粘性末端的互补DNA双链片段DNA与回收纯化的MsCRISPR/Cas9线性载体使用T4DNA连接酶在16℃水浴锅中连接10-16h；
步骤(5)将连接产物通过热击法转化大肠杆菌DH5ɑ感受态细胞，复苏后涂布于含50mg/L卡那霉素的LB平板培养基上，37℃培养箱培养12-16h；
步骤(6)挑取单菌落克隆于1.5ml含50mg/L卡那霉素的LB液体培养基中，37℃摇床摇12-16h；
步骤(7)使用测序引物MtU6-T-F对单克隆菌液进行测序，选择靶点连接正确的单克隆于50-100ml含50mg/L卡那霉素的LB液体培养基中，37℃摇床摇12-16h，提取质粒。
4.如权利要求3所述的利用CRISPR/Cas9系统对紫花苜蓿基因定点突变的方法，其特征在于，所述测序引物MtU6-T-F的序列如SEQ ID NO.4所示。
5.如权利要求1所述的利用CRISPR/Cas9系统对紫花苜蓿基因定点突变的方法，其特征在于，所述使用根癌农杆菌介导转化紫花苜蓿获得突变植株的方法包含以下步骤：
步骤(1)根癌农杆菌菌种复苏：将电击转化后的农杆菌菌株涂布于YM固体平板培养基中，25-29℃培养24h-48h；挑取单克隆，接种于30-50mLYM液体培养基中，25-29℃摇床上100-220r/min摇24h-48h；所述YM固体培养基和YM液体培养基中均包含30-60mg/L卡那霉素和200-450mg/L利福平；
步骤(2)紫花苜蓿愈伤组织的获得：所述紫花苜蓿愈伤组织获得过程如下：
挑选饱满、色泽圆润的紫花苜蓿种子，65-80％酒精浸泡1-3分钟，无菌水洗2-4次，每次0.5-2分钟；0.05-0.15％升汞浸泡并手摇6-12分钟，无菌水洗3～5次，接种于MS固体培养基上，光照培养箱或培养室中萌发7-16天；
取萌发后的子叶和下胚轴，切成小块接种于愈伤诱导培养基中，25±1℃培养箱或培养室中暗培养2～4天；所述愈伤诱导培养基成分为：SH基础培养基+1.0-3.0mg/L 2,4-二氟苯氧乙酸+0.1-0.3mg/L激动素+0.1-0.5mg/L水解络蛋白+15-40g/L蔗糖+5.8-9g/L琼脂；
步骤(3)根癌农杆菌侵染紫花苜蓿愈伤组织：所述农杆菌菌株侵染紫花苜蓿愈伤组织过程如下：提前1-2天将步骤(1)复苏的根癌农杆菌菌株接种于50-100mL的YM液体培养基中，25-29℃摇床上100-220r/min培养至OD值260/280在0.5-0.8之间；将菌液转移到50mL无菌离心管中，离心机中0-8℃条件下3000-4500r/min离心10-15分钟，弃上清液，加入重悬液重悬至OD值260/280在0.5-0.8之间，加入50-150umol/L乙酰丁香酮；所述重悬液为MS基础培养基+30g/L蔗糖；将步骤(2)中诱导的愈伤组织收集到带透气塑料封口膜的无菌三角瓶中，倒入重悬后的农杆菌菌液，用三角瓶自带的封口膜封口，真空泵中抽真空到0.5kpa，一共抽0.5-1.5h；取出三角瓶，25-29℃摇床上100-150r/min摇0.5-1.5h，倒干菌液，晾干；
步骤(4)将被根癌农杆菌侵染过的紫花苜蓿愈伤组织进行共培养：所述共培养过程如下：将晾干的侵染过的材料接种于共培养培养基，培养基中铺一张灭菌后的滤纸，25±1℃培养箱中暗培养2-5天；所述共培养培养基成分为：MS基础培养基+1-3mg/L 2 ,4-二氟苯氧乙酸+0.1-0.3mg/L激动素+15-40g/L蔗糖+5.8-9g/L琼脂+50-150umol/L乙酰丁香酮；
步骤(5)紫花苜蓿愈伤组织筛选培养：所述筛选培养过程如下：将共培养得到的材料接种于筛选培养基，25±1℃培养箱或培养室中光照培养30-60天；所述筛选培养基成分为：SH基础培养基+1-3mg/L 2,4-二氟苯氧乙酸+0.1-0.3mg/L激动素+15-40g/L蔗糖+5.8-9g/L琼脂+150-450mg/L头孢噻亏+150-450mg/L羧苄青霉素+10-50mg/L潮霉素；
步骤(6)紫花苜蓿愈伤组织分化培养：将筛选培养后的材料转接至分化培养基，25±1℃培养箱或培养室中光照培养15-30天；所述分化培养基成分为：UM基础培养基+0.5-5g/L水解络蛋白+0.1-2mg/L激动素+15-40g/L蔗糖+5.8-9g/L琼脂+150-450mg/L头孢噻亏+4-10mg/L潮霉素；
步骤(7)紫花苜蓿再生芽生根培养：将分化出的1-3cm的芽转接至生根培养基，培养基成分为：MS基础培养基+0.5-2mg/L吲哚丁酸+15-40g/L蔗糖+5.8-9g/L琼脂+150-450mg/L头孢噻肟；
步骤(8)紫花苜蓿突变株的筛选与检测，所述紫花苜蓿突变株的筛选与检测的方法包括PCR-RE检测、T7E1酶切检测与靶点深度测序。
6.如权利要求1-5任一权利要求所述的利用CRISPR/Cas9系统对紫花苜蓿基因定点突变的方法在紫花苜蓿育种中的应用。
7.如权利要求1-5任一权利要求所述的利用CRISPR/Cas9系统对紫花苜蓿基因定点突变的方法在基因编辑紫花苜蓿育种中的应用。
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