AP09259964 Изучение влияния экспрессии гена р19 на эффективность направленного мутагенеза для снижения уровня редуцирующих сахаров картофеля с помощью CRISPR/Cas9

Изучение влияния экспрессии гена р19 на эффективность направленного мутагенеза, на основе технологии CRISPR/Сas9, для снижения редуцирующих сахаров в клубнях картофеля при действии низких температур.

Редактирование генома при использовании CRISPR/Cas9стало прорывной технологией в области генетики и селекции растений. Геномное редактирование оказывает точное и целенаправленное действие, что приводит к резкому снижению временных затрат и созданию сортов с заданными свойствами по сравнению с методами классического мутагенеза, которые опираются на случайные события. В настоящее время продемонстрирована универсальность данной технологии и возможность ее успешного применения не только на модельных, но и на культурных растениях при использовании разных методов трансформации.

Актуальность

В данном проекте предлагается изучение влияния экспрессии гена р19 на эффективность направленного мутагенеза, на основе технологии CRISPR/Сas9,для снижения редуцирующих сахаров в клубнях картофеля при действии низких температур.

Проект будет реализовываться командой владеющих методами генетической инженерии растений, в том числе методами геномного редактирования, где работают специалисты области молекулярной биологии и биотехнологии растений. Научная новизна исследований заключается в том, что планируется изучить влияния ко-экспрессии гена р19 на уровень экспрессии Cas9 и sgRNA, следовательно, на эффективность направленного мутагенеза; инактивировать ген, стимулирующий накопление редуцирующих сахаров в клубнях картофеля, при действии низких температур, с помощью CRISPR/Cas9-опосредованного редактирования и в короткие сроки создать отредактированные растения на основе хорошо адаптированных высокоурожайных отечественных сортов картофеля. Планируемые исследования являются абсолютно новыми, нам не известны опубликованные работы по изучению влияния ко-экспрессии гена р19 на уровень экспрессии Cas9 и sgRNA, также как по разработке технологии CRISPR/Сas9 для снижения редуцирующих сахаров в клубнях картофеля.

Практическая значимость предлагаемого к реализации проекта заключается в том, что будет получена линия перспективных форм картофеля, характеризующихся улучшенным качественным хозяйственно-ценным признакам. Кроме того, результаты данного проекта смогут оказать прямое влияние на программы селекции сортов картофеля с комплексом хозяйственно-ценных признаков, информация, полученная в ходе его выполнения, будет способствовать дальнейшему прогрессу в использовании данной технологии для редактирования генома других сельскохозяйственных культур.

Цель

Изучение влияния экспрессии гена р19 на эффективность направленного мутагенеза, на основе технологии CRISPR/Сas9, для снижения редуцирующих сахаров в клубнях картофеля при действии низких температур.

Ожидаемые результаты

  • Будут созданы экспрессионные вектора с системой CRISPR/Cas9,направляющей РНК и геном p19.
  • Будет проведена Agrobacterium-опосредованная трансформация листовых и стеблевых эксплантовкартофеля.
  • Будут получены растения-регенеранты с нокаутированным геном, стимулирующий накопление редуцирующих сахаров в клубнях картофеля при действии низких температур.
  • Будет определена эффективность CRISPR/Cas9-опосредованного редактирования гена-мишени с помощью фрагментного анализа и методом секвенирования нового поколения (NGS).
  • Клубни отредактированных геномовкартофеля будут подвергнуты анализу по уровню редуцирующих сахаров и акриламида.

Руководитель проекта

Манабаева Шуга Аскаровна. Индекса Хирша 2. https://publons.com/researcher/2449535/shuga-a-manabayeva/ ; ResearcherID Web of Science: A-2529-2015

Публикации и охранные документы по теме проекта

  1. Abeuova L.S., Kali B.R., Rakhimzhanova A.O., Bekkuzhina S.S., Manabayeva Sh.A. High frequency direct shoot regeneration from Kazakh commercial potato cultivars // PeerJ. –2020. Vol. 2020, Issue 7, 2020, Article number e9447. org/10.7717/peerj.9447Web of Science Q2, Corresponding author
  2. Zhumabek A.T., Rakhimzhanova A.O., Bekkuzhina S.S., Ramankulov Ye.M. and Manabayeva Sh.A. Somatic embryogenesis and plant regeneration from upland switchgrass cultivars // Research on Crops. 2020, — 21, Issue 2, — P. 349-354. 10.31830/2348-7542.2020.059Web of Science Q4, Corresponding author
  3. Zhumabek A.T., Abeuova L.S., Mukhametzhanov N.S., Scholthof H.B., Ramanculov Е.M., Manabayeva S.A.Transient expression of the bovine leukemia virus envelope glycoprotein gp51 in plants by a recombinant TBSV vector //Journal of Virological Methods. 2018. – Vol. 255. – P. 1-7. https://doi.org/10.1016/j.jviromet.2018.01.016Web of Science Q4, Corresponding author
  4. Manabayeva S.A., Shamekova M., Park J-W., Ding X.S., Nelson R.S., Hsieh Y-C., Omarov R.T., Scholthof H.B. Differential requirements for Tombusvirus coat protein and P19 in plants following leaf versus root inoculation. 2013. Virology. Volume: 439 Issue: 2 Pages: 89-96 http://dx.doi.org/10.1016/j.virol.2018.01.011.Web of Science Q3, First author
  5. Gao S-J, Damaj MB, Park J-W, Beyene G, Buenrostro-Nava MT, Molina J., Wang X., Ciomperlik J. J., Manabayeva S.A., Alvarado V.Y., Rathore K.S., Scholthof H.B., Mirkov E.T. Enhanced Transgene Expression in sugarcane by co-expression of virus-encoded RNA silencing suppressors //PLoS ONE. 2013. Volume: 8. Issue: 6. Pages: 1-13 http://dx.doi:10.1371/journal.pone.0066046 Web of Science Q2.
  6. Сведения об имеющихся патентах и других охранных документах
  7. Манабаева Ш.А., Абеуова Л.С., Раманкулов Е.М. Транзиентная экспрессия генов рекомбинантных белков GFP и Г-КСФ человека в растениях benthamiana // Инновационный патент РК. №31056. 16.03.2016.
  8. Манабаева Ш.А., Рахимжанова А.О., Раманкулов Е.М. Способ получения гербицидустойчивых трансгенных растений хлопчатника сорта «Туркистан» // Инновационный патент РК. №31284. 20.06.2016.
  9. Манабаева Ш.А., Жұмабек А.Т., Раманкулов Е.М. Способ транзиентной экспрессии гена рекомбинантного белка β-1,4 эндоглюканазы Е1 в растениях benthamiana с помощью вирусного вектора на основе генома ВККТ. Патент РК. № 32592. 12.12.2017

Достигнутые результаты

2021 г.

Для снижения уровня редуцирующих сахаров картофеля с помощью CRISPR/Сas9 выбран ген Pain-1, кодирующего вакуолярную инвертазу. Участки экзонов 1 и 3 гена Pain-1 определены как потенциальные сайты модификации и направляющие олигонуклеотиды химерной направляющей РНК с помощью биоинформатических программ https://crispr.dbcls.jp/ и http://crispr.hzau.edu.cn/CRISPR2/. Проанализированы тринуклеотиды NGG в изучаемых экзонах и для каждого тринуклеотида проанализирована нуклеотидная композиция из 20 нуклеотидов, расположенных на 5′ – конце РАМ, выбраны последовательности с наименьшим числом неспецифичных мест связывания в геноме картофеля. В результате клонирования вариабельных частей к константной части, направляющей РНК по сайтам BbsI получены следующие промежуточные векторные конструкции: р203+Т1, р204+Т2, р205+Т3.

Для редактирования гена Pain-1 картофеля с помощью CRISPR/Cas9 выбраны бинарные экспрессионные вектора pMR284 и pMR287, кодирующие Cas9 под промотором PcUbi. В результате клонирования экспрессионной кассеты с химерной направляющей РНК под промотором U6 в бинарные вектора pMR284 и pMR287 с помощью системы Gateway созданы экспрессионные бинарные вектора, содержащие все элементы, необходимые для модифицирования целевых сайтов гена Pain-1 и функционирования системы CRISPR/Cas9 в клетках генома картофеля.

Создан экспрессионный вектор с геном, кодирующий белок р19 для изучения влияния ко-экспрессии гена р19 на эффективность направленного мутагенеза для снижения уровня редуцирующих сахаров картофеля с помощью CRISPR/Сas9.

2022 г.

Для микроклонального размножения пробирочных растений картофеля сортов Аксор, Тохтар и Астаналык используется безгормональная питательная среда с рН 5,7-5,8, содержащей минеральные соли и витамины по Мурасиге и Скуга. Микрочеренкование пробирочных растений проводятся каждые 3-4 недели. Культивирование пробирочных растений картофеля осуществляются в культуральной комнате при освещенности 2,0-3,0 тыс. люксов, фотопериоде — 16 часов, температуре 23-25°С и влажности воздуха 70-75%.

Agrobacterium-опосредованная трансформация эксплантов картофеля проводятся с помощью агробактериального штамма AGLO. Агробактериальные клетки содержат генетическую конструкцию, клонированную в бинарный вектор на основе Ti плазмиды. Генетическая последовательность содержит кассеты с тремя таргетами, комплементарными к последовательности гена кислой вакуолярной инвертазы под промоторами AtU6 и последовательностью белка Cas9. Agrobacterium-опосредованная трансформация проводятся методом ко-культивации эксплантов. С помощью плазмиды pMR284 протрансформировано 720 каллусов. С помощью плазмиды pMR287 протрансформированы стеблевые экспланты картофеля, используя 1115 эксплантов. В результате мониторинга на наличие генов в 163 растениях регенерантах, полученных из трансформированных эксплантов выявлено наличие вставки для 10% растений.

Публикации и охранные документы

2021 г.

Tussipkan Dilnur and Manabayeva Shuga A. Employing CRISPR/Cas technology for the improvement of potato and other tuber crops // Frontiers in Plant Science. – 2020, V. 12, p.1-16. doi: 10.3389/fpls.2021.747476