青島能源所利用構樹(shù)基因編輯技術(shù)創(chuàng )制高性能生物基材料
構樹(shù)(Broussonetia papyrifera)是??贫嗄晟颈局参?,環(huán)境適應性強,生長(cháng)速度快,且在中醫藥、飼料和造紙等方面具有悠久的使用歷史,但是其新品種培育存在周期長(cháng)與核心種質(zhì)資源不足的問(wèn)題,通過(guò)基因編輯技術(shù)能夠精準定向地實(shí)現植物資源的快速改良,已受到國內外農業(yè)生物育種研發(fā)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。近日,青島能源所能源作物分子育種研究組利用開(kāi)發(fā)的構樹(shù)高效遺傳轉化和基因編輯技術(shù)體系,成功創(chuàng )制了木質(zhì)素成分顯著(zhù)改變的植物新資源,以基因編輯構樹(shù)材料制備的多孔碳材料其吸附性能要顯著(zhù)高于未經(jīng)改良的構樹(shù),從而展示了其在環(huán)境修復和污染物處理等領(lǐng)域的潛在應用價(jià)值。相關(guān)研究成果以“CRISPR/Cas9-mediated mutation of?FERULATE 5-HYDROXYLASE?enhances adsorption capacity of lignocellulose-based porous carbon from paper mulberry”為題發(fā)表在Horticulture Research雜志上。
研究人員首先構建了構樹(shù)木質(zhì)素合成途徑關(guān)鍵酶阿魏酸-5-羥化酶(BpF5H)的基因過(guò)量表達載體,使該基因在構樹(shù)中的表達量提高了7-186倍。同時(shí),還構建了針對BpF5H基因的編輯載體,并獲得了BpF5H等位基因均編輯的株系。其中BpF5H_KO1株系中的BpF5H等位基因表現出全移碼和部分移碼兩種不同的編輯狀態(tài),其他株系則呈現BpF5H等位基因全移碼狀態(tài)(BpF5H_KO2等)。進(jìn)一步研究表明,過(guò)表達株系中S型木質(zhì)素單體含量增加了15%-24%,兩個(gè)代表性基因編輯株系BpF5H_KO1和KO2中S型木質(zhì)素含量則分別降低了39%和99%。以上述基因工程構樹(shù)為原料,在700℃下碳化2h制備的多孔碳材料在吸附性上表現出顯著(zhù)的差異?;蚓庉嫴牧?/span>BpF5H_KO2制備的生物炭具有最高的表面積,對甲基橙的吸附能力相比于未經(jīng)改良材料提高了兩倍(圖1)。上述研究進(jìn)一步拓展了構樹(shù)等經(jīng)濟林木的應用范圍,還為高值化利用園林植物修剪過(guò)程中產(chǎn)生的大量廢棄生物質(zhì)提供了技術(shù)與思路。
圖1?利用基因編輯技術(shù)提高雜交構樹(shù)制備多孔碳材料的化合物吸附效率
青島能源所和濟南大學(xué)聯(lián)合培養博士生徐悅、青島能源所副研究員曹英萍與黃岡師范學(xué)院教授張萬(wàn)舉為該論文的共同第一作者,付春祥研究員,何峰副研究員和濟南大學(xué)秦曉春教授為共同通訊作者,青島能源所吳振映副研究員、黃岡師范學(xué)院孔雯副教授等科研人員也參與了該研究。華南農業(yè)大學(xué)劉耀光教授提供基因編輯骨架載體。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金、泰山學(xué)者人才工程和研究所抓攻關(guān)計劃等項目的支持。(文/圖 何峰)
原文鏈接:https://academic.oup.com/hr/advance-article/doi/10.1093/hr/uhae124/7656942?login=false
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