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湖南美可达创始人曾建国教授团队通过基因编辑实现药用植物博落回活性成分大幅提升


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上世纪50年代开始,低剂量抗生素作为促生长剂被添加到饲料中用于维持动物健康和提高生产力。但是,饲用抗生素的长期使用是导致细菌耐药性和威胁公众健康的重要因素。因此,欧盟在2006年全面禁止在饲料中添加饲用抗生素,并对兽用临床使用抗生素进行严格监管,中国也在2020年全面禁止饲用抗生素的使用。因此,寻找 “安全、有效、可控、成本低”的饲用替抗产品是目前养殖行业研究的热点,在过去的十几年,人们从益生菌、益生元和植物来源中寻求能替代饲用抗生素的天然产品。
2024年1月,Horticulture Research在线发表了湖南农业大学曾建国教授团队题为CRISPR/Cas9 Revolutionizes Macleaya cordata Breeding: A Leap in Sanguinarine Biosynthesis的论文。

药用植物博落回 [Macleaya cordata (Willd) R. Br] 是罂粟科Papaveraceae)博落回属Macleaya R. Br.)多年生直立草本植物,其体内富含的苄基异喹啉类生物碱具有抗炎、抑菌等多种功能。以博落回中的苄基异喹啉类生物碱——血根碱为主要原料开发的产品作为饲用替抗产品被广泛应用于养殖业中,为饲用禁抗做出了重要贡献。随着野生资源减少和原料价格的不断上涨,严重阻碍了血根碱饲用替抗产品的低成本市场供应。因此,通过育种手段对博落回资源进行品种改良,提高血根碱含量和原料生产是突破产业瓶颈的关键。此前,博落回暂未有成熟的基因编辑体系,该体系的成功建立,能为博落回基因功能的研究提供技术指导,更能为其分子育种提供快速精准的通道。

 

建立CRISPR/Cas9介导的可视化博落回基因敲除体系

类胡萝卜素代谢中的八氢番茄红素脱氢酶PDS,经常被用作植物基因组编辑的视觉报告基因。本研究首先从博落回全基因组信息中鉴定到McPDS基因的完整序列,在外显子区域设计gRNA并以pRGEB32为骨架构建质粒。随后通过根癌农杆菌介导的博落回外植体侵染,遗传转化共获得68株阳性转基因植株,其中36株表现为完全白化,3株表现为嵌合。通过测序共鉴定到15种不同的突变类型,靶向效率高达86.76%,成功构建了博落回高效基因敲除体系。

 

1 基于CRISPR/Cas9的博落回基因组编辑

 

敲除血根碱竞争分支通路McSMT基因显著提升博落回中血根碱含量

McSMT为博落回中血根碱竞争分支通路中的关键基因,通过基因敲除共获得12株McSMT基因敲除植株。采用UPLC-QQQ-MS对突变体和野生型植株中的苄基异喹啉类生物碱通路化合物含量进行定量分析,结果显示,血根碱竞争分支通路化合物含量显著降低,而通路中其他化合物含量均提升,尤其是二氢血根碱和血根碱,平均含量分别增加了4.95倍和3.29倍,表明分支途径被有效截断。该成果成为血根碱生物合成中的一次飞跃,获得的突变体也将成为后续博落回种质创新的重要研究材料。

 

McSMT基因敲除植物中苄基异喹啉类生物碱合成途径化合物积累

湖南农业大学博士生/湖南省农业科学院助理研究员孙梦姗、湖南农业大学教授钟晓红、湖南省农业科学院助理研究员周利为共同第一作者,湖南农业大学曾建国教授与黄鹏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项目2023JJ40367、2023JJ30341、2021JJ20032)与湖南省创新建设专项基金岳麓山种业创新项目2021NK1012)的共同资助。

作者团队介绍

 


曾建国,男,汉族,1965年11月生,湖南农业大学教授,博士生导师,现任兽用中药资源与中兽药创制国家地方联合工程研究中心主任、岳麓山中药材种业创新中心主任、国家农业科研杰出人才、国家中药材产业技术体系岗位科学家、十三五国家重点研发计划首席专家,担任湖南省中药材产业协会会长、全国饲料审评委员、中国兽药典委员。曾建国教授一直从事中药资源及综合利用研究,为植物提取物和中兽药领域的知名专家。在ScienceNature PlantsMolecular PlantMicrobiomeHorticultural Research等国内外期刊发表 100 多篇学术论文,申请获得 30 多个专利。取得4个国家二类新兽药证书,获湖南省科学技术奖一等奖2项。

 

孙梦姗,女,汉族,1989年9月生,湖南农业大学博士生/湖南省农业科学院助理研究员,一直从事药用植物资源及植物次生代谢产物合成与调控研究。牵头主持或参与省级以上科研课题7项,发表学术论文10余篇,授权发明专利 2个,参编专著2部。

 

文章链接:

https://doi.org/10.1093/hr/uhae024