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이 프로토콜은 유전체 편집 기술을 사용하여 정확하고 효율적이며 기술적으로 간단한 방식으로 설계에 따라 저항성 전분 쌀 품종을 육종하는 것을 설명합니다.
전통적인 교잡 및 돌연변이 육종과 같이 주로 시간이 많이 걸리고 노동 집약적인 방법에 의존하는 작물 육종에 대한 기존의 접근 방식은 표적 형질을 효율적으로 도입하고 다양한 식물 개체군을 생성하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 반대로, 게놈 편집 기술의 출현은 패러다임의 변화를 가져왔으며, 식물 게놈의 정확하고 신속한 조작을 가능하게 하여 원하는 특성을 의도적으로 도입할 수 있게 되었습니다. 가장 널리 사용되는 편집 도구 중 하나는 CRISPR/Cas 시스템으로, 연구자들이 중요한 생물학 관련 문제를 연구하는 데 사용해 왔습니다. 그러나 게놈 편집의 정확하고 효과적인 워크플로우는 작물 육종에서 잘 정의되지 않았습니다. 이 연구에서는 당뇨병 및 비만과 같은 질병을 예방하는 데 중요한 역할을 하는 기능적 특성인 저항성 전분(RS)이 높은 수준으로 풍부한 쌀 품종을 육종하는 전 과정을 보여주었습니다. 워크플로우에는 기능성 SBEIIb 유전자 선택, 단일 가이드 RNA(sgRNA) 설계, 적절한 게놈 편집 벡터 선택, 벡터 전달 방법 결정, 식물 조직 배양 수행, 유전형 분석 돌연변이 및 표현형 분석과 같은 몇 가지 주요 단계가 포함되었습니다. 또한 프로세스의 각 단계에 필요한 시간 프레임이 명확하게 입증되었습니다. 이 프로토콜은 육종 과정을 간소화할 뿐만 아니라 형질 도입의 정확성과 효율성을 향상시켜 기능성 쌀 품종의 개발을 가속화합니다.
전통적인 육종은 작물에 형질을 도입하거나 충분한 다양성을 가진 식물 개체군을 생산하는 데 의존하며, 이를 위해서는 장기적인 현장 관찰이 필요하다 1,2. 전통적인 육종의 한계로 인해 유전자 편집 기술이 개발되어 작물의 게놈을 정밀하게 수정하여 식물 개체군의 원하는 형질을 얻을 수 있습니다3. 식물에서 가장 널리 사용되는 유전자 편집 시스템은 CRISPR/Cas(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated Cas endonuclease)로, 프로그래밍 가능한 RNA 유도 엔도뉴클레아제에 의존하여 DNA 4,5에서 표적 이중 가닥 절단(DSB)을 생성합니다. 그런 다음 이러한 DSB는 세포의 자연적인 DNA 복구 메커니즘 6,7에 의해 복구되며, 종종 원하는 유전적 변화가 도입됩니다. 이 기술은 밀8, 옥수수9, 대두10, 쌀11 등 다양한 작물에 적용되어 왔지만, 주로 생물학적 문제를 드러내는 데 사용된다. 식물 유전자 기능을 규명하는 데 광범위하게 응용되는 것에 비해, 유전자 편집 기술을 작물 육종에 적용하는 연구는 상대적으로 부족하다12.
작물의 유전자 편집 과정은 일반적으로 몇 가지 주요 단계를 포함하는 잘 정의된 워크플로우를 따른다13. 첫 번째 단계는 원하는 형질을 얻기 위해 수정해야 하는 특정 유전자 또는 유전 영역을 식별하는 것입니다. 둘째, 적절한 유전자 편집 시스템(예: CRISPR-Cas9 또는 CRISPR-Cas12)의 선택과 엔도뉴클레아제를 표적 부위로 유도하기 위한 특정 가이드 RNA의 설계를 포함하는 유전자 편집 전략을 설계합니다. 셋째, 유전자 편집 시스템은 그런 다음 전달 벡터에 통합되며, 이는 편집 기계를 식물 세포에 도입하는 데 사용됩니다. 이러한 벡터는 DNA, RNA 또는 리보핵단백질(RNP) 복합체일 수 있습니다. 그 후, 유전자 편집 벡터는 Agrobacterium 매개 형질전환, 입자 충격 또는 전기천공법을 포함한 다양한 방법을 사용하여 식물 세포로 전달됩니다. 즉시, 형질전환된 식물 세포는 유전적으로 편집된 굳은살 또는 배아 조직을 생성하기 위해 적절한 조건에서 배양됩니다. 그런 다음 이러한 조직은 조직 배양 기술을 통해 전체 식물로 재생됩니다. 재생된 식물은 원하는 유전적 변화의 존재를 확인하기 위해 엄격한 분자 특성 분석을 거칩니다.
Tsakirpaloglou et al.14 의 이전 논문은 벡터 설계에서 편집된 묘목 생성에 이르기까지 유전자 편집 과정에 대한 광범위한 개요를 제공하지만, 표적 유전자와 관련된 특정 형질에 대한 자세한 분석이나 편집된 작물의 농업 성능 또는 기능 검증에 대한 후속 평가는 다루지 않습니다. 우리는 단순히 쌀에서 유전자를 편집하는 것의 타당성을 입증하는 것을 넘어섰습니다. 우리의 연구는 편집된 쌀 라인의 생화학적, 분자적, 농업학적 특성에 대한 이 편집의 영향을 종합적으로 평가합니다. 여기에는 이전 유전자 편집 연구에서 광범위하게 탐구되지 않은 곡물 품질과 영양가에 영향을 미치는 중요한 요소인 전분 조성 평가가 포함됩니다.
쌀 전분은 일반적으로 ~20% 아밀로오스와 ~80% 아밀로펙틴15로 구성됩니다. SBEIIb는 아밀로펙틴 합성에 필수적인 효소이며 배젖에서 발현된다16. 헤어핀 RNA (RNAi) 및 microRNA 발현에 의한 OsSBEIIb의 녹다운은 저항성 전분 함량을 증가시켰습니다17,18. 저항성 전분은 소장에서 소화 및 흡수될 수 없지만 장의 특정 소화 박테리아에 의해 단쇄 지방산과 가스로 분해될 수 있는 기질 전분입니다. 당뇨병은 빠르게 분해되지 않기 때문에 다른 전분에 비해 혈당지수가 낮고 식후 단기간 내에 혈당이 급격히 상승하지 않아 식이요법으로 당뇨병을 어느 정도 완화할 수 있다19. 또한 저항성 전분은 인슐린 반응 감소, 장 기능 조절, 지방 축적 방지, 체중 조절 촉진, 미네랄 이온의 흡수 촉진과 같은 더 많은 생리적 기능을 가지고 있습니다. 따라서 새로운 유형의 식이 섬유로 널리 추구되고 있습니다20.
이러한 문제를 극복하고 기능성 벼 품종 육종을 위한 유전자 편집 기술을 성공적으로 활용하기 위해 우리는 쌀 내 운영 프로토콜을 개선하고 최적화했습니다. 우리의 초점은 표적 유전자 자리의 디자인을 꼼꼼하게 분석하고, 가장 적합한 유전자 편집 도구를 신중하게 선택하며, 육종 과정 전반에 걸쳐 엄격한 표현형 분석을 수행하는 것이었습니다. 이러한 기술의 힘과 효율성에 대한 증거로, 우리는 고저항성 전분이 풍부한 기능성 쌀 품종의 급속한 개발을 보여주는 사례 연구를 제시합니다. 이 사례는 기능성 쌀의 육종을 가속화하는 유전자 편집의 잠재력을 강조하며, 현재 이 분야의 연구 부족을 해결합니다.
이 연구는 인간 연구 윤리 위원회의 지침에 따라 중국의 Bellagen Biotechnology Co. Ltd에서 수행되었습니다. 참여하기 전에 연구 프로토콜은 정보에 입각한 동의를 제공한 피험자에게 철저히 설명되었습니다.
1. sgRNA 및 구축 벡터 설계(타이밍 5-7일)
참고: CRISPR/Cas-SF01 시스템(21)을 표현하기 위해 이진 벡터가 사용되었습니다. sgRNA에 대한 잠재적인 off-target site와 3개 미만의 뉴클레오티드(nt) 불일치가 없어야 합니다. sgRNA adapter는 편집 벡터의 Bsa I 효소 분해에 의해 생성되는 끈적한 말단을 보완해야 합니다. 소프트웨어 선택은 rice14에서 보고된 소프트웨어의 높은 효율성과 특이성, 그리고 연구 그룹에 대한 사용 편의성 및 접근성을 기반으로 했습니다.
2. 아그로박테리움 의 형질전환(타이밍 4일)
3. Agrobacterium에 의한 벼 형질전환 (타이밍 3개월)
주의: 식물 세포(25)에서 외래 DNA 서열의 전달 및 발현을 위해 여러 식물 형질전환 방법이 보고되었다. 게놈에서 DSB의 단일 복제 통합 및 낮은 빈도를 고려할 때 Agrobacterium 매개 형질전환은 발현 DNA 단편을 쌀 염색체에 통합하기 위해 선택되는 방법입니다.
4. 유전자형 전환 식물 유전형 분석 및 종자 수확(타이밍 8개월)
참고: 동형접합 돌연변이(homozygous mutation)와 외래 DNA가 없는 계통을 달성하기 위해 2세대의 벼를 재배할 것입니다.
5. 저항성 전분 함량 측정(타이밍 4일)
6. 식후 혈당 반응 (타이밍 5일)
본 연구에서는 안정적인 저항성 전분 쌀 품종을 얻기 위해 게놈 편집을 통해 기능성 벼를 육종하는 전 과정을 입증했습니다. SBEIIb 를 타겟으로 하는 sgRNA를 CRISPR/Cas-SF01에 통합하고(Supplementary Figure 1), Agrobacterium transformation을 이용하여 벼에 침투하였으며, 스크리닝 및 발근 단계를 거쳐 E0 생성 식물을 획득하였습니다. 유전자 기능이 상실된 식물?...
CRISPR/Cas-SF01 기반 knockdown 벡터를 구성하는 과정에서 single-guide RNA(sgRNA)의 세심한 선택이 중요합니다. 이를 위해서는 타겟 이탈 효과를 최소화하면서 높은 편집 효율성을 나타내는 시퀀스를 채택해야 합니다. 또한, 표적 프라이머의 synthesis는 벡터의 splice site와 일치하는 short adapter oligo를 통합하여 원활한 통합을 보장합니다. 특히, 순차적 효소 분해, 겔 정제 및 결찰이 필요...
저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.
이 연구는 Biological Breeding-Major Projects(2023ZD04074)의 자금 지원을 받았습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2 x Taq Plus Master Mix II | Vazyme Biotech Co.,Ltd | P213 | Detecting Single Nucleotide Polymorphism (SNP) of genes |
2,4-Dichlorophenoxyacetic (2,4-D) Acid Solutio | Phyto Technology | D309 | |
AAM medium | Shandong Tuopu Biol-engineering Co., Ltd | M9051C | |
BsaI-HF | New england biolabs | R3535 | Bsa I enzyme digestion of the editing vector |
Carbenicillin antibiotics | Applygen | APC8250-5 | Selection medium, regeneration medium |
Casaminoacid | BBI-Life SciencesCorporation | A603060-0500 | Callus induction medium, co-cultivation medium, selection medium,regeneration medium |
DH5α Chemically Competent Cell | Weidi Biotechnology Co., Ltd. | DL1001 | E. coli competent cells |
D-Sorbitol | BBI-Life SciencesCorporation | A610491-0500 | |
EDTA,disodium salt,dihydrate | Diamond | A100105-0500 | CTAB buffer |
EHA105 Chemically Competent Cell | Weidi Biotechnology Co., Ltd. | AC1010 | Agrobacterium competent cells |
FastPure Plasmid Mini Kit | Vazyme Biotech Co.,Ltd | REC01-100 | Plasmid isolated |
Hygromycin antibiotics | Yeasen | 60224ES | co-cultivation medium, selection medium,regeneration medium and root medium |
Kanamycin antibiotics | Yeasen | 60206ES10 | Selection agrobacterium |
KOH | Macklin | P766798 | CTAB buffer |
L-Glutamine | Phyto Technology | G229 | Callus induction medium, co-cultivation medium, selection medium,regeneration medium |
L-Proline | Phyto Technology | P698 | Callus induction medium, co-cultivation medium, selection medium,regeneration medium |
Mautre dry rice seeds (Xiushui134) | - | - | Japonica varieties for breeding RS rice |
Mill rice mechine | MARUMASU | MHR1500A | To produce white rice |
Murashige Skoog | Phyto Technology | M519 | Root medium, regeneration medium |
Myo-inositol | Phyto Technology | I703 | Regeneration medium |
NaCl | Macklin | S805275 | For YEP media |
NB Basal Medium | Phyto Technology | N492 | Callus induction medium, co-cultivation medium, selection medium,regeneration medium |
Peptone | Solarbio | LA8800 | For YEP media |
Phytogel | Shanghai yuanye Bio-Technology Co., Ltd | S24793 | |
Pot | Midea group Co. | MB-5E86 | For cooking rice |
Refrigerator | Haier | BCD-170 | Storage the medium |
Resistant Starch Assay Kit | Megazyme | K-RSTAR | Measurement and analysis resistant starch |
Rifampicin antibiotics | Sigma | R3501-250MG | Selection agrobacterium |
Sodium hypochlorite solution | Macklin | S817439 | For seed sterilization |
Sucrose | Shanghai yuanye Bio-Technology Co., Ltd | B21647 | Callus induction medium, co-cultivation medium, selection medium,regeneration medium |
T4 DNA Ligase | New england biolabs | M0202 | Joining sgRNA to the CEISPRY/Cas-SF01 vector |
The glucose monitor | Medical Equipment & Supply Co., Ltd | Xuetang 582 | Detection the blood glucose |
Tris-HCL | Macklin | T766494 | CTAB buffer |
Yeast Agar | Solarbio | LA1370 | For YEP media |
YEP media | - | - | Cultivation of Agrobacterium |
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