ゴムの木の遺伝子工学の進展
研究がゴムの木の収量や品質を向上させるためのCRISPR技術を探ってるんだ。
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ゴムの木、学名ヘベア・ブラジリエンシスは、さまざまな産業で使われる天然ゴムを生産するために重要なんだ。世界中で天然ゴムの需要が増えているから、ゴムの木の収穫量やゴムの質を向上させる必要があるんだよ。これは、工業や防衛など異なる市場の多様なニーズに応えるために欠かせない。
ゴムの木の栽培の課題
ゴムの木は多年草で、通常5〜6年かけて花を咲かせ種を作るんだ。この長い待ち時間が農家やゴム業界には大きな障害になってる。また、ゴムの木は複雑な遺伝を持っていて、環境要因によって花が咲く率や種の生産が大きく変わることがある。中国のような場所では、これらの課題がより顕著になって、生産性全体に影響を及ぼしてる。
現在、新しいゴムの木の品種は主に二つの親植物を交配させて開発されてる。ただ、この方法だとしばしば望ましくない特性を持つ子孫が生まれ、大規模な新しい品種の植栽が限られちゃう。交配に使われる親植物の遺伝的プールが限られてるから、ゴムの木の収穫量を効果的に改善するための遺伝的多様性が不足してるんだ。
これらの課題のせいで、ゴムの木の品種改良はここ数十年大きな進展がないんだ。この停滞から、従来の交配法よりも早く新しく改良されたゴムの木の品種を作るために、革新的な技術が求められている。
遺伝子工学の可能性
遺伝子工学の中で最も有望な技術の一つがCRISPR/Cas9。これを使うことで、科学者たちは植物の遺伝子を編集して望ましい特性を強化したり、望ましくない特性を抑えたりできるんだ。CRISPRは他の多くの植物種で成功しているけど、ゴムの木の研究は遅れを取っている。ゴムの木にCRISPRを適用しようとした過去の試みは限られた成功しか得られなかった、主に木の細胞の変換がうまくいかなかったから。
ゴムの木の遺伝子編集での主な障害は、未熟な変換システムなんだ。歴史的に、科学者たちはアグロバクテリウムを使った変換法を使って、新しい遺伝子を植物の細胞に導入してた。この技術でいくつかのゴムの木の苗が生まれたけど、細胞の成長条件が最適でないことなど、いろいろな要因で成功率は低かった。
最近では、科学者たちは体細胞胚に注目して、変換のより効果的なオプションとして使っている。体細胞胚は、通常の種の形成プロセスを経ずに完全な植物に成長できる植物細胞の一種なんだ。変換効率が改善される可能性が示されている。
変換技術の改善
ゴムの木の細胞の変換率を向上させるために、研究者たちは変換された細胞の選択に使う抗生物質の選択を最適化するために取り組んでいる。抗生物質は新しい遺伝子を取り込んだ細胞を特定するために重要で、過去の研究ではカナマイシンが一般的に使われていたけど、体細胞胚の成長に悪影響を与えることがわかった。
この研究では、科学者たちは異なる抗生物質を試して、ヒグロマイシンが最も効果的だと発見した。ヒグロマイシンを使った連続選択戦略を実施することで、成長と発展を支えながら変換された細胞のバランスを改善することができた。
編集されたゴムの木の苗の生成
研究者たちは、編集遺伝子を取り込んだ胚を誘導することに成功した。彼らはこれらの胚を小さな部分に切り分け、もう一度胚形成を行った。このプロセスで、多くの新しい胚が生成され、成功した遺伝子編集の兆候を示した。
合計で33世代の新しい胚が生成され、さらなる遺伝子検査でそのほぼ半数がホモ接合体であることが確認された。これは以前の試みよりも大きな改善だ。
ゴムの木の目に見える特性の達成
編集された胚から、いくつかの苗が再生された。その中にはユニークな特性を持つものもあった。特に、いくつかの植物はアルビノの表現型を示し、クロロフィル生成に関与する遺伝子の編集が成功したことを示している。この植物のゲノムを配列決定することで、遺伝子編集がホモ接合体の変異をもたらしたことが確認された。
この研究は遺伝子編集されたゴムの木を生産する能力を示すだけでなく、これらの編集された植物が次の世代にその特性を引き継ぐ可能性も強調している。
課題と今後の方向性
研究は印象的な結果を得たけど、課題は残っている。例えば、最初に変換された胚の多くはキメラで、編集された細胞と未編集の細胞が混ざっている状態だった。この複雑さが完全に変換された植物を特定するのを難しくしている。
研究チームは、多くのT-DNA挿入が観察されたが、大半は遺伝子の望ましい編集を行わなかったと指摘した。これは、遺伝子編集ベクターや変換が行われる条件のさらなる最適化が必要であることを示唆している。
これらの問題に対処するために、研究者たちは今後の実験で使用する遺伝子ベクターの修正を計画している。現在の編集遺伝子を駆動するプロモーターを、他の植物種で効果が示された強力で効率的なものに置き換えることを目指している。これらの調整を行うことで、より高い編集効率と安定したホモ接合体の植物を増やすことが期待されている。
結論
この研究は、遺伝子工学を通じてゴムの木の品種改良を進める上で重要な一歩を示している。変換技術を最適化し、編集された苗の成功した生成を示すことで、研究者たちはゴムの木の遺伝的改善におけるCRISPR技術の将来的な使用への道を開いた。チームが方法を洗練させ続ける中で、ゴムの木の栽培を加速させ、ゴム生産を改善する可能性がより実現可能になってくる。もし成功すれば、これらの進展は天然ゴムの世界的な需要を満たし、生産に使われるゴムの木の質や特性を向上させることができるんだ。
タイトル: An optimized somatic embryo transformation system assisted homozygous edited rubber tree generation method mediated by CRISPR/Cas9
概要: Previously, we have realized the CRISPR/Cas9-RNP and plasmid mediated protoplast transient transformation genome editing in the rubber tree (Hevea brasiliensis), but no gene editing plants were acquired due to the bottleneck of genetic transformation. In present study, antibiotic sensitivity tests against kanamycin, hygromycin and basta were analyzed for embryo screening, the results demonstrated that 10 mg/L hygromycin is the best for transformation. Then Agrobacterium mediated transformation of H. brasiliensis embryos was carried out using a pCAMBIA1300-based CRISPR/Cas9 vector targeting Phytoene desaturase gene (HbPDS). High-throughput sequencing of T0 generation positive embryos which were used as regeneration materials in typical transformation procedure showed that more than 90% T0 edited embryos are chimeric with a 3.2% editing efficiency. A T0 embryo with 9.8% edited cells was sliced into small pieces for one more cycle embryogenesis to produce T1 generation embryos in order to improve the ratio of homozygous embryos. Subsequently, next-generation sequencing (NGS) demonstrated that 29 out of 33 T1 embryos were edited, nearly 50% of which were found homozygous. At last, besides four chimeric plantlets with partial albino leaves, four plantlets with complete albino phenotype were regenerated from the 29 T1 generation edited embryos, among which one is a homozygous mono-allelic mutant and the other three are homozygous bi-allelic mutants. NGS demonstrated that the threshold for the proportion of edited cells with expected albino phenotype is between 70-85%. Additionally, Tail-PCR indicate that the T-DNA was inserted into different genome positions in the four homozygous edited plantlets, combined with the different genotypes are considered, the four homozygous plantlets can be confirmed as independently derived from single transformed cells. Overall, this is the first edited rubber trees with expected phenotype reported publicly, which shows the potential in genetic improvement of H. brasiliensis by CRISPR/Cas9 gene editing, and subculture of T0 positive transformed somatic embryos into T1 generation is proved to be an effective and necessary procedure to produce homozygous transgenic plantlets. This study presents a significant advancement in transgenic and gene editing for rubber tree.
著者: Tiandai Huang, X. Yang, Q. Lin, J. Udayabhanu, Y. Hua, X. Dai, S. Xin, X. Wang
最終更新: 2024-03-29 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.14.585007
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.14.585007.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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