CN112553243B - CRISPR/xCas9基因编辑系统在棉花中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了CRISPR/xCas9基因编辑系统在棉花中的应用,技术方案是,本发明在上海生工合成目的序列xCas9,并通过同源臂重组克隆到目标载体pHSE401‑Cas9上,获得高效编辑载体pHSE401‑xCas9,其序列如SEQ ID NO.1所示。同时本发明在棉花原生质体和愈伤中验证载体pHSE401‑xCas9编辑效率,结果显示,本发明在棉花原生质体中验证pHSE401‑xCas9的编辑效率高于pHSE401‑Cas9;在棉花愈伤中验证pHSE401‑xCas9的编辑效率高于pHSE401‑Cas9。本发明在棉花中首次成功建立了CRISPR/xCas9基因编辑系统,该系统显示出较高的编辑效率,它将成为棉花功能基因组研究新的重要的技术手段。

Description

CRISPR/xCas9基因编辑系统在棉花中的应用
技术领域
本发明属于植物基因工程技术领域,具体涉及陆地棉基因组的高效编辑方法。
背景技术
CRISPR/Cas主要存在于古生物菌和细菌中,是细菌和古生物菌在抵御外来病毒和噬菌体入侵的过程中不断迚化而来的一种获得性免疫防御机制。目前,CRISPR/Cas9系统是应用最多和最成熟的基因编辑系统,已广泛应用于动植物的细胞基因编辑,研究人员在应用过程中不断改进完善并展开了具有针对性的基因组编辑工作,创制目标突变体,进行基因功能的研究。
SpCas9核酸酶可以在多种细胞和生物体中进行有效的基因编辑,可以识别经典的5'-NGG-3'PAM序列,但是此PAM序列不管是在哺乳动物还是植物中都是有限的,所以这极大的限制了Cas9的目标选择范围。而Cas9的变体xCas9 3.6可以在哺乳动物细胞内识别5'-NG-3'、5'-GAA-3'和5'-GAT-3'三种模式的PAM序列,基因编辑范围至少提高了4倍。并且xCas9 3.6在哺乳动物细胞内检测出有较高的编辑效率和较低的脱靶效应。因此,xCas93.6不仅具有广泛的PAM序列兼容性,同时具有高度的DNA靶向特异性。
不同物种微生物的Cas核酸酶识别的PAM序列不同,如:金黄色酿脓葡萄球菌Cas9(Staphylococcus aureus Cas9,SaCas9)识别的PAM序列为5'-NNGRRT-3'、脑膜炎双球菌Cas9(Neisseria meningitidis Cas9,NmeCas9)识别的PAM序列为5'-NNNNGATT-3'、空肠弯曲杆菌Cas9(Campylobacter jejuni Cas9,CjCas9)识别的PAM序列为5'-NNNNACAC-3'、毛螺科菌Cpf1(Lachnospiraceae bacterium Cpf1,LbCpf1)和氨基酸球菌Cpf1(Acidaminococcus sp Cpf1,AsCpf1)识别的PAM序列为5'-TTTV-3'等,所以研究者们选择使用不同物种微生物的Cas9蛋白或者其它类型的效应蛋白用于基因编辑,避免因PAM序列的限制而不能对目标基因进行编辑。
发明内容
本发明的目的是提供一种陆地棉基因组的高效编辑方法,特别是构建一种适用于陆地棉的碱基编辑系统。本发明基于pCBC-DT1T2和pHSE401载体构建了融合xCas9核酸酶的适用于棉花遗传转化系统的碱基编辑系统。
为了实现上述目的,本发明的技术方案是:
一种适用于陆地棉的基因编辑载体pHSE401-xCas9,所述载体pHSE401-xCas9的序列如SEQ ID NO.1所示。
一种适用于陆地棉的基因编辑载体pHSE401-xCas9的构建方法,获得目的序列xCas9,随后通过同源臂重组克隆到目标载体pHSE401-Cas9上,得到载体pHSE401-xCas9。
具体方法为:
(1)以pUC57-xCas9为模板,利用引物xCas-F/R进行TKS扩增,获得xCas9扩增片段;
(2)对载体pHSE401-Cas9进行双酶切,酶切位点采用XbaⅠ和SacI,得到pHSE401-Cas9酶切产物;
(3)连接目的基因xCas9扩增片段和pHSE401-Cas9酶切产物,转入大肠杆菌感受态,并获得阳性克隆,即为载体pHSE401-xCas9。
一种基于载体pHSE401-xCas9构建编辑靶基因GFP的方法,包括以下步骤:
(1)利用外源GFP蛋白作为sgRNA靶基因,预测GFP基因的sgRNA序列,并分析靶序列在棉花中的脱靶效率,选择高效编缉的sgRNA序列;
(2)以pCBC-DT1T2为模板进行PCR扩增得到PCR产物,即sgRNA靶基因表达盒;
(3)建立酶切-连接体系,将PCR产物与pHSE401-xCas9连接,转入大肠杆菌感受态,挑取阳性克隆,测序,序列正确的质粒命名为pHSE401-xCas9-GFP。
一种载体pHSE401-xCas9在陆地棉基因组编辑中的应用。
一种载体pHSE401-xCas9在陆地棉遗传转化系统的碱基编辑中的应用。
本发明的有益效果:
1、本发明在上海生工合成目的序列xCas9,并通过同源臂重组克隆到目标载体pHSE401-Cas9上,获得高效编辑载体pHSE401-xCas9。
2、本发明在棉花原生质体中验证pHSE401-xCas9的编辑效率高于pHSE401-Cas9。
3、本发明在棉花愈伤中验证pHSE401-xCas9的编辑效率高于pHSE401-Cas9。
附图说明
图1为编辑载体pHSE401-Cas9示意图。
图2为中间载体CRISPR系统表达盒的结构示意图。
图3为扩增表达盒的PCR反应后的电泳结果图。
图4左侧图为pHSE401-Cas9-GFP,pHSE401-xCas9-GFP在原生质体中的编辑效果荧光图,右侧图为编辑效率统计图(纵坐标为百分比)。
图5为pHSE401-Cas9-GFP,pHSE401-xCas9-GFP在愈伤中的编辑效果荧光图。
图6为pHSE401-Cas9-GFP,pHSE401-xCas9-GFP在愈伤中的编辑效率对比图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
实施例1:获得pHSE401-xCas9载体
由上海生工将目的序列xCas9合成到载体pUC57上,命名为:pUC57-xCas9,xCas9序列是SEQ ID NO.1中的第3224bp-第7324bp,随后将目的序列xCas9通过同源臂重组克隆到目标载体pHSE401-Cas9(图1)上,得到pHSE401-xCas9载体。
具体操作如下:(1)分析pHSE401-Cas9载体,选择合适的双酶切位点XbaⅠ和SacⅠ,基因引物F/R两端设计含载体上大约20bp碱基的同源臂及酶切位点序列xCas-F/R,按照表1扩增体系,表2反应程序获得xCas9片段,扩增引物序列为:
xCas-F:5’-CGATACTCGAGTAATCTAGATGGATTACAAGGACCACGA-3’(SEQ ID NO.2)
xCas-R:5’-CGAACGAAAGCTCTGAGCTCACTTCTTTTTCTTAGCCTGTCCGG-3’(SEQ IDNO.3)
表1 TKS扩增体系
Figure BDA0002832272840000031
PCR反应程序中,延伸时间设为30s(延长时间根据目的基因片段长度及1min扩增1000bp原则而定),具体如表2:
表2 PCR反应程序
Figure BDA0002832272840000032
对PCR扩增产物进行琼脂糖凝胶电泳(128v,25min),试剂盒进行胶回收,得到xCas9扩增片段。
(2)对pHSE401-Cas9载体进行双酶切,酶切位点采用Xba Ⅰ和SacI。酶切体系如表3。
表3 Cutsmart酶切体系
Figure BDA0002832272840000033
Figure BDA0002832272840000041
37℃恒温培养箱酶切2-3h,以未切pHSE401-Cas9载体为对照进行琼脂糖凝胶电泳(130v,25min),对切开的载体进行胶回收,得到pHSE401-Cas9酶切产物。
(3)目的基因片段与酶切载体同源重组并转入大肠杆菌感受态
根据诺唯赞公司Exnase II重组体系连接胶回收后的目的基因片段和酶切载体,重组体系如表4。
表4重组体系
Figure BDA0002832272840000042
体系配制完成后,37℃水浴30min后置于冰上5min。随后按照常规方法转入大肠杆菌感受态,并获得阳性克隆,即为pHSE401-xCas9载体,其序列如SEQ ID NO.1所示。
实施例2:基于U6-sgRNA为骨架的基因编缉载体构建
利用外源GFP蛋白作为sgRNA靶基因,并根据CRISPRscan在线分析工具(http://www.crisprscan.org/?page=sequence)预测GFP基因的sgRNA序列,同时根据在线软件(http://www.rgenome.net/cas-offinder/)分析靶序列在棉花中的脱靶效率,最后选择高效编缉的sgRNA序列,其序列为:
sgEGFP-1:5’-ATACCCAGATCATATGAAG-3’(SEQ ID NO.4)
sgEGFP-2:5’-CAGCTGCTGGGATTACACA-3’(SEQ ID NO.5)
以pCBC-DT1T2载体为模板进行四引物PCR扩增得到目的序列(序列如SEQ ID NO.6所示),最终获得sgRNA靶基因表达盒(如图2所示)。其中,扩增引物为-BsF/-BsR和-F0/-R0,具体引物序列为:
BsF-GFP:5’-ATATATGGTCTCGATTGATACCCAGATCATATGAAGGTT-3’(SEQ ID NO.7)
F0-GFP:5’-TGATACCCAGATCATATGAAGGTTTTAGAGCTAGAAATAGC-3’(SEQ ID NO.8)
R0-GFP:5’-AACTGTGTAATCCCAGCAGCTGCAATCTCTTAGTCGACTCTAC-3’(SEQ ID NO.9)
BsR-GFP:5’-ATTATTGGTCTCGAAACTGTGTAATCCCAGCAGCTGCAA-3’(SEQ ID NO.10)
PCR反应体系见表5,PCR反应条件见表6。
表5目标序列的PCR反应体系
Figure BDA0002832272840000051
表6 PCR反应条件
Figure BDA0002832272840000052
凝胶电泳观察PCR条带是否正确(图3),然后利用凝胶回收试剂盒(购自OMEGA公司,货号D2500-02)将PCR产物纯化。随后建立酶切-连接体系(如表7所示)进行连接,转化到大肠杆菌感受态,挑取阳性克隆进行测序,阳性菌落鉴定引物为U626-IDF和U629-IDR,测序引物为U626-IDF和U629-IDF。
阳性检测和测序引物序列为:
U626-IDF:5’-TGTCCCAGGATTAGAATGAC-3’(SEQ ID NO.11)
U629-IDF:5’-TTAATCCAAACTACTGCAGCTAC-3’(SEQ ID NO.12)
U629-IDR:5’-GTTGATGGATCGAAAGAAGAGGGT-3’(SEQ ID NO.13)
将序列正确的质粒命名为pHSE401-Cas9-GFP,pHSE401-xCas9-GFP质粒。
表7酶切-连接反应体系
Figure BDA0002832272840000053
Figure BDA0002832272840000061
实施例3:检测在原生质体中的编辑效率
1、GFP转基因苗的培养:
将棉花种子放置于培养基中,置于温度25±2℃,暗培养10d左右。
2、原生质体分离:
1)取棉花幼嫩的叶片,用刀片将其中间部分切成0.5-1mm的细丝,将其放入50ml酶液中,真空泵抽真空30min,压强约15kpa,取出后静置消化5h。
注:酶解温度要保持在20-25℃,且要避光,酶解完轻轻摇晃酶解液,使原生质体释放出来。
2)加50ml W5溶液稀释酶解产物,用75μm尼龙滤膜过滤酶解液于圆底离心管中(50ml)。
注:尼龙滤膜要浸泡在75%(v/v)酒精里,用时要用水冲洗,再用W5溶液浸泡2min再过滤。
3)23℃,离心力100g,升3RPM r/min降3RPM r/min,离心3min,弃上清。
4)用10ml W5溶液轻轻悬浮,冰上放置30min;原生质体逐渐沉降,弃上清。
5)加适量MMG溶液悬浮,至于冰上,待转化。
3、原生质体转化
1)加20μg pHSE401-Cas9-GFP,pHSE401-xCas9-GFP质粒分别于2ml离心管,用去尖的枪头吸取200μl原生质体加入离心管中轻弹混匀,静止3-5min,再加250μl PEG4000,轻弹混匀,避光诱导(最好在25℃左右恒温箱中)转化30min;
2)加800μl W5溶液(室温)颠倒混匀,离心力80g,升3RPM r/min降3RPM r/min,离心3min,弃上清;
3)加1ml WI溶液,颠倒混匀,23℃培养过夜。
转化12h后,通过荧光显微镜观察绿色荧光的分布,结果如图4所示,pHSE401-Cas9-GFP中绿色荧光明显较多,pHSE401-xCas9-GFP的荧光较少,并且通过对同一大小的视野下进行统计,发现pHSE401-xCas9-GFP中发光原生质体少于pHSE401-Cas9-GFP,这说明pHSE401-xCas9的编辑系统效率高于pHSE401-Cas9的编辑系统。
实施例4:农杆菌介导的遗传转化
将脱绒的棉花种子(品种为可过表达GFP转基因苗)用质量浓度0.1%次氯酸钠杀菌,无菌水清洗数次后放入无菌苗培养基中,28℃暗培养7d;将下胚轴切成小茎段,用活化后的含有pHSE401-xCas9-GFP和pHSE401-Cas9-GFP载体的农杆菌侵染,弃菌液,并吹干(pHSE401-xCas9-GFP和pHSE401-Cas9-GFP分别侵染500个切断);将下胚轴平铺在共培养培养基中,放入光照培养室,培养20-30d后对pHSE401-xCas9-GFP和pHSE401-Cas9-GFP的愈伤组织进行检测(图5)。取少量愈伤用CTAB的方法提取DNA,初步判断阳性愈伤,随后对阳性愈伤进行荧光检测,统计阳性愈伤的发光情况,在100块阳性愈伤中,pHSE401-xCas9-GFP编辑效率约为60%左右(针对NGG PAM序列),pHSE401-Cas9-GFP编辑效率约为40%(针对NGGPAM序列)(图6),因此证明pHSE401-xCas9-GFP的编辑效率大于pHSE401-Cas9-GFP。
本发明在棉花中首次成功建立了CRISPR/xCas9基因编辑系统,该系统显示出较高的编辑效率,它将成为棉花功能基因组研究新的重要的技术手段。
SEQUENCE LISTING
<110> 中国农业科学院棉花研究所
<120> CRISPR/xCas9基因编辑系统在棉花中的应用
<160> 13
<170> PatentIn version 3.5
<210> 1
<211> 16437
<212> DNA
<213> 亚洲棉(Gossypium arboreum)
<400> 1
taaacgctct tttctcttag gtttacccgc caatatatcc tgtcaaacac tgatagttta 60
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ggtgaggaca agaagcacga gcgccacccc atcttcggca acatcgtcga cgaggtcgcc 3600
taccacgaga agtaccccac tatctaccac cttcgtaaga agcttgttga ctctactgat 3660
aaggctgatc ttcgtctcat ctaccttgct ctcgctcaca tgatcaagtt ccgtggtcac 3720
ttccttatcg agggtgacct taaccctgat aactccgacg tggacaagct cttcatccag 3780
ctcgtccaga cctacaacca gctcttcgag gagaacccta tcaacgcttc cggtgtcgac 3840
gctaaggcga tcctttccgc taggctcgct aagtccaggc gtctcgagaa cctcatcgcc 3900
cagctccctg gtgagaagaa gaacggtctt ttcggtaacc tcatcgctct ctccctcggt 3960
ctgaccccta acttcaagtc caacttcgac ctcgctgagg acaccaagct tcagctctcc 4020
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gatctcttcc ttgctgctaa gaacctctcc gatgctatcc tcctttcgga tatccttagg 4140
gttaacactg agatcactaa ggctcctctt tctgcttcca tgatcaagcg ctacgacgag 4200
caccaccagg acctcaccct cctcaaggct cttgttcgtc agcagctccc cgagaagtac 4260
aaggagatct tcttcgacca gtccaagaac ggctacgccg gttacattga cggtggagct 4320
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aatattaatc caaactactg cagcctgaca gacaaatgag gatgcaaaca attttaaagt 360
ttatctaacg ctagctgttt tgtttcttct ctctggtgca ccaacgacgg cgttttctca 420
atcataaaga ggcttgtttt acttaaggcc aataatgttg atggatcgaa agaagagggc 480
ttttaataaa cgagcccgtt taagctgtaa acgatgtcaa aaacatccca catcgttcag 540
ttgaaaatag aagctctgtt tatatattgg tagagtcgac taagagattg cagctgctgg 600
gattacacag tttagagacc aataat 626
<210> 7
<211> 39
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 7
atatatggtc tcgattgata cccagatcat atgaaggtt 39
<210> 8
<211> 41
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 8
tgatacccag atcatatgaa ggttttagag ctagaaatag c 41
<210> 9
<211> 43
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 9
aactgtgtaa tcccagcagc tgcaatctct tagtcgactc tac 43
<210> 10
<211> 39
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 10
attattggtc tcgaaactgt gtaatcccag cagctgcaa 39
<210> 11
<211> 20
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 11
tgtcccagga ttagaatgac 20
<210> 12
<211> 23
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 12
ttaatccaaa ctactgcagc tac 23
<210> 13
<211> 24
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 13
gttgatggat cgaaagaaga gggt 24

Claims (6)

1.一种适用于陆地棉的基因编辑载体pHSE401-xCas9,其特征在于,所述载体pHSE401-xCas9的序列如SEQ ID NO.1所示。
2.一种如权利要求1所述载体pHSE401-xCas9的构建方法,其特征在于,获得目的序列xCas9,随后通过同源臂重组克隆到目标载体pHSE401-Cas9上,得到载体pHSE401-xCas9。
3.根据权利要求2所述载体pHSE401-xCas9的构建方法,其特征在于,具体方法为:
(1)以pUC57-xCas9为模板,利用引物xCas-F/R进行扩增,获得xCas9扩增片段;引物xCas-F序列如SEQ ID NO.2所示,引物xCas-R序列如SEQ ID NO.3所示;
(2)对载体pHSE401-Cas9进行双酶切,酶切位点采用XbaⅠ和SacI,得到pHSE401-Cas9酶切产物;
(3)连接目的基因xCas9扩增片段和pHSE401-Cas9酶切产物,转入大肠杆菌感受态,并获得阳性克隆,即为载体pHSE401-xCas9。
4.一种基于如权利要求1所述载体pHSE401-xCas9构建编辑靶基因GFP的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)利用外源GFP蛋白作为sgRNA靶基因,预测GFP基因的sgRNA序列,并分析靶序列在棉花中的脱靶效率,选择高效编缉的sgRNA序列;
(2)以pCBC-DT1T2 为模板进行PCR 扩增得到PCR产物,即sgRNA靶基因表达盒;
(3)建立酶切-连接体系,将PCR产物与pHSE401-xCas9连接,转入大肠杆菌感受态,挑取阳性克隆,测序,序列正确的质粒命名为pHSE401-xCas9-GFP。
5.一种如权利要求1所述载体pHSE401-xCas9在陆地棉基因组编辑中的应用。
6.一种如权利要求1所述载体pHSE401-xCas9在陆地棉遗传转化系统的碱基编辑中的应用。
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