近日，中國熱科院熱帶生物技術(shù)研究所木薯轉(zhuǎn)基因與基因編輯團(tuán)隊(duì)在木薯淀粉品質(zhì)改良研究方面取得重要進(jìn)展。研究利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)成功編輯我國木薯主栽品種SC8的可溶性淀粉合成酶基因MeSSIII-1，顯著提高了木薯抗性淀粉含量。
抗性淀粉難以被小腸吸收和消化，但能在大腸中發(fā)酵產(chǎn)生對人體有益的短鏈脂肪酸，是全球健康食品研究的熱點(diǎn)之一。食用高抗性淀粉食物可預(yù)防和改善與能量代謝相關(guān)的慢性疾病，如心血管疾病、II型糖尿病。提高木薯抗性淀粉含量有助于改善以木薯為主糧的全球近10億人口的營養(yǎng)和健康狀況。
研究團(tuán)隊(duì)以木薯品種SC8為材料，采用CRISPR/Cas9技術(shù)創(chuàng)制了MeSSIII-1基因突變體。MeSSIII-1基因的編輯效率為90.91%，純合突變率為13.64 %，雙等位突變率為77.27 %。木薯MeSSIII-1基因突變體塊根的直鏈淀粉含量提高18.62%，抗性淀粉含量是對照的4.7倍，總淀粉含量提高12.23%。MeSSIII-1基因突變體支鏈淀粉的中等長度和長鏈比例增加，而短鏈比例減少；淀粉糊化的起始溫度、峰值溫度和結(jié)束溫度顯著降低，峰值粘度、低谷粘度和最終粘度都有所增加。
研究發(fā)現(xiàn)敲除MeSSIII-1基因后，觸發(fā)了木薯塊根淀粉合成相關(guān)基因表達(dá)發(fā)生重編程，增強(qiáng)了淀粉合成途徑。特別是參與直鏈淀粉合成的顆粒結(jié)合型淀粉合成酶基因MeGBSSII表達(dá)水平提高了50倍，而直鏈淀粉含量與抗性淀粉含量正相關(guān)。此外，突變體塊根的蔗糖、葡萄糖和果糖等可溶性糖含量顯著上升，推測這些糖類不僅為淀粉合成提供了碳源，還通過糖信號激活淀粉合成相關(guān)基因表達(dá)提高塊根的淀粉合成能力。以上結(jié)果表明，研究團(tuán)隊(duì)通過基因編輯敲除MeSSIII-1基因，創(chuàng)制了抗性淀粉顯著提高的木薯新種質(zhì)，為木薯淀粉品質(zhì)改良提供了新策略。
相關(guān)研究成果以“Editing of the soluble starch synthase gene MeSSIII-1 enhanced the amylose and resistant starch contents in cassava”為題發(fā)表于《Carbohydrate Polymers》。中國熱科院生物所/三亞研究院陸小花博士后、王亞杰助理研究員、海南大學(xué)博士生甄興厚為共同第一作者。中國熱科院生物所/三亞研究院姚遠(yuǎn)副研究員、郭建春研究員、劉姣副研究員為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院中央公益性科研院所基礎(chǔ)研究基金、國家木薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、海南省種業(yè)實(shí)驗(yàn)室揭榜掛帥項(xiàng)目、中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院國家熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)中心科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0144861724011299
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