Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Hệ thống chồng chất tính trạng thông qua tái tổ hợp đồng di truyền trong gen
Tóm tắt
Một phương pháp nhắm mục tiêu gen đã được phát triển, cho phép chuyển đổi các 'chồng chất chọn giống', chứa các gen chuyển giao không liên kết thành một 'chồng gen phân tử' và do đó vượt qua các thách thức chọn giống liên quan đến sự phân tách gen chuyển giao. Phương pháp này sử dụng tái tổ hợp đồng di truyền trong gen (IGHR) giữa các loci mục tiêu và cho gen đã tích hợp ổn định có trình tự đồng nhất và các vị trí cắt nuclease, trong đó gen cho chứa một gen kháng thuốc diệt cỏ không có promoter. Khi giao phối với một cây biểu hiện nuclease ngón kẽm (ZFN), các đứt sợi kép (DSB) được tạo ra tại cả các loci mục tiêu và cho gen tích hợp ổn định. Những DSB nằm cạnh locus cho gen dẫn đến sự di chuyển trong gen của một trình tự cho gen chọn lọc không có promoter, có thể được sử dụng làm khuôn mẫu cho việc sửa chữa theo hướng đồng nhất của một DSB đồng thời tại locus mục tiêu, dẫn đến một dấu hiệu chọn lọc chức năng thông qua việc trao đổi băng truyền do nuclease (NMCE). Phương pháp này đã được chứng minh thành công trên cây ngô sử dụng một gen tolérance glyphosate làm gen cho, trong đó lên tới 3,3% số phôi con được cấy trên môi trường chọn lọc đã tái tạo ra cây có trình tự cho gen được tích hợp vào locus mục tiêu. Quy trình này có thể được mở rộng cho nhiều chu kỳ chồng chất tính trạng nhờ vào tính đồng nhất trình tự intron độc đáo cho NMCE giữa các locus mục tiêu và cho gen. Đây là báo cáo đầu tiên mô tả NMCE thông qua IGHR, từ đó cho phép chồng chất tính trạng sử dụng giao phối thông thường.
Từ khóa
#chồng chất gen #tái tổ hợp đồng di truyền #gen kháng thuốc diệt cỏ #nuclease ngón kẽm #cây ngôTài liệu tham khảo
Ainley WM, Sastry-Dent L, Welter ME, Murray MG, Zeitler B, Amora R, Corbin DR, Miles RR, Arnold NL, Strange TL, Simpson MA, Cao Z, Carroll C, Pawelczak KS, Blue R, West K, Rowland LM, Perkins D, Samuel P, Dewes CM, Shen L, Sriram S, Evans SL, Rebar EJ, Zhang L, Gregory PD, Urnov FD, Webb SR, Petolino JF (2013) Trait stacking via targeted genome editing. Plant Biotechnol J 11(9):1126–1134. doi:10.1111/pbi.12107
Allen GC, Flores-Vergara MA, Krasynanski S, Kumar S, Thompson WF (2006) A modified protocol for rapid DNA isolation from plant tissues using cetyltrimethylammonium bromide. Nat Protoc 1(5):2320–2325. doi:10.1038/nprot.2006.384
Ayar A, Wehrkamp-Richter S, Laffaire JB, Le Goff S, Levy J, Chaignon S, Salmi H, Lepicard A, Sallaud C, Gallego ME, White CI, Paul W (2013) Gene targeting in maize by somatic ectopic recombination. Plant Biotechnol J 11(3):305–314. doi:10.1111/Pbi.12014
Christian M, Cermak T, Doyle EL, Schmidt C, Zhang F, Hummel A, Bogdanove AJ, Voytas DF (2010) Targeting DNA double-strand breaks with TAL effector nucleases. Genetics 186(2):757–761. doi:10.1534/genetics.110.120717
Endo M, Osakabe K, Ichikawa H, Toki S (2006) Molecular characterization of true and ectopic gene targeting events at the acetolactate synthase gene in Arabidopsis. Plant Cell Physiol 47(3):372–379. doi:10.1093/pcp/pcj003
Epinat JC, Arnould S, Chames P, Rochaix P, Desfontaines D, Puzin C, Patin A, Zanghellini A, Paques F, Lacroix E (2003) A novel engineered meganuclease induces homologous recombination in yeast and mammalian cells. Nucleic Acids Res 31(11):2952–2962
Even-Faitelson L, Samach A, Melamed-Bessudo C, Avivi-Ragolsky N, Levy AA (2011) Localized egg-cell expression of effector proteins for targeted modification of the Arabidopsis genome. Plant J 68(5):929–937. doi:10.1111/j.1365-313X.2011.04741.x
Fauser F, Roth N, Pacher M, Ilg G, Sanchez-Fernandez R, Biesgen C, Puchta H (2012) In planta gene targeting. Proc Natl Acad Sci USA 109(19):7535–7540. doi:10.1073/pnas.1202191109
Gao HR, Smith J, Yang MZ, Jones S, Djukanovic V, Nicholson MG, West A, Bidney D, Falco SC, Jantz D, Lyznik LA (2010) Heritable targeted mutagenesis in maize using a designed endonuclease. Plant J 61(1):176–187. doi:10.1111/j.1365-313X.2009.04041.x
Gao J, Wang G, Ma S, Xie X, Wu X, Zhang X, Wu Y, Zhao P, Xia Q (2015) CRISPR/Cas9-mediated targeted mutagenesis in Nicotiana tabacum. Plant Mol Biol 87(1–2):99–110. doi:10.1007/s11103-014-0263-0
Hallauer AR, Lamkey KR, White PR (1997) Registration of five inbred lines of maize: B102, B103, B104, B105, and B106. Crop Sci 37(4):1405–1406
Hanin M, Volrath S, Bogucki A, Briker M, Ward E, Paszkowski J (2001) Gene targeting in Arabidopsis. Plant J 28(6):671–677 (pii 1183)
Kim YG, Cha J, Chandrasegaran S (1996) Hybrid restriction enzymes: zinc finger fusions to Fok I cleavage domain. Proc Natl Acad Sci USA 93(3):1156–1160
Kumar S, Fladung M (2001) Controlling transgene integration in plants. Trends Plant Sci 6(4):155–159 (pii S1360-1385(01)01890-8)
Kumar S, AlAbed D, Whitteck JT, Chen W, Bennett S, Asberry A, Wang X, DeSloover D, Rangasamy M, Wright TR, Gupta M (2015a) A combinatorial bidirectional and bicistronic approach for coordinated multi-gene expression in corn. Plant Mol Biol 87(4–5):341–353. doi:10.1007/s11103-015-0281-6
Kumar S, AlAbed D, Worden A, Novak S, Wu H, Ausmus C, Beck M, Robinson H, Minnicks T, Hemingway D, Lee R, Skaggs N, Wang L, Marri P, Gupta M (2015b) A modular gene targeting system for sequential transgene stacking in plants. J Biotechnol 207:12–20. doi:10.1016/j.jbiotec.2015.04.006
Kumar S, Barone P, Smith M (2016) Gene targeting and transgene stacking using intra genomic homologous recombination in plants. Plant Methods 12:11. doi:10.1186/s13007-016-0111-0
Liang Z, Zhang K, Chen K, Gao C (2014) Targeted mutagenesis in Zea mays using TALENs and the CRISPR/Cas system. J Genet Genom 41(2):63–68. doi:10.1016/j.jgg.2013.12.001
Lira JM, Cicchillo R, Yerkes CN, Robinson AE (2013) Glyphosate resistant plants and associated methods. US20130219552A1
Miller PD (2013) Method for improved transformation using agrobacterium. US Patent 0157369 A1
Moehle EA, Rock JM, Lee YL, Jouvenot Y, DeKelver RC, Gregory PD, Urnov FD, Holmes MC (2007) Targeted gene addition into a specified location in the human genome using designed zinc finger nucleases. Proc Natl Acad Sci USA 104(9):3055–3060. doi:10.1073/pnas.0611478104
Mueller D, Pope R (2009) Corn field guide. Iowa State University, Ames
Murray MG, Cuellar RE, Thompson WF (1978) DNA sequence organization in the pea genome. Biochemistry 17(26):5781–5790
Petolino JF, Kumar S (2015) Transgenic trait deployment using designed nucleases. Plant Biotechnol J. doi:10.1111/pbi.12457
Que Q, Chilton MD, de Fontes CM, He C, Nuccio M, Zhu T, Wu Y, Chen JS, Shi L (2010) Trait stacking in transgenic crops: challenges and opportunities. GM Crops 1(4):220–229. doi:10.4161/gmcr.1.4.13439
Rong YS, Golic KG (2000) Gene targeting by homologous recombination in Drosophila. Science 288(5473):2013–2018 (pii 8589)
Schiml S, Fauser F, Puchta H (2014) The CRISPR/Cas system can be used as nuclease for in planta gene targeting and as paired nickases for directed mutagenesis in Arabidopsis resulting in heritable progeny. Plant J 80(6):1139–1150. doi:10.1111/tpj.12704
Shukla VK, Doyon Y, Miller JC, DeKelver RC, Moehle EA, Worden SE, Mitchell JC, Arnold NL, Gopalan S, Meng XD, Choi VM, Rock JM, Wu YY, Katibah GE, Zhifang G, McCaskill D, Simpson MA, Blakeslee B, Greenwalt SA, Butler HJ, Hinkley SJ, Zhang L, Rebar EJ, Gregory PD, Urnov FD (2009) Precise genome modification in the crop species Zea mays using zinc-finger nucleases. Nature 459(7245):437–441. doi:10.1038/Nature07992
Siebert MW, Nolting SP, Hendrix W, Dhavala S, Craig C, Leonard BR, Stewart SD, All J, Musser FR, Buntin GD, Samuel L (2012) Evaluation of corn hybrids expressing Cry1F, Cry1A.105, Cry2Ab2, Cry34Ab1/Cry35Ab1, and Cry3Bb1 against Southern United States insect pests. J Econ Entomol 105(5):1825–1834. doi:10.1603/Ec12155
Storer NP, Thompson GD, Head GP (2012) Application of pyramided traits against Lepidoptera in insect resistance management for Bt crops. GM Crops Food 3(3):154–162. doi:10.4161/gmcr.20945
Wehrmann A, Van Vliet A, Opsomer C, Botterman J, Schulz A (1996) The similarities of bar and pat gene products make them equally applicable for plant engineers. Nat Biotechnol 14(10):1274–1278. doi:10.1038/nbt1096-1274
Wiedenheft B, Sternberg SH, Doudna JA (2012) RNA-guided genetic silencing systems in bacteria and archaea. Nature 482(7385):331–338. doi:10.1038/nature10886
Zhang F, Maeder ML, Unger-Wallace E, Hoshaw JP, Reyon D, Christian M, Li X, Pierick CJ, Dobbs D, Peterson T, Joung JK, Voytas DF (2010) High frequency targeted mutagenesis in Arabidopsis thaliana using zinc finger nucleases. Proc Natl Acad Sci USA 107(26):12028–12033. doi:10.1073/pnas.0914991107