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育種調色盤:基因編輯讓紫色朝顏變白花

育種調色盤:基因編輯讓紫色朝顏變白花

編譯 張瑞玶編輯 林韋佑、柴幗馨

CRISPR-Cas9系統是目前廣泛使用的基因編輯工具之一,這是一種基於細菌防禦機制而存在的系統,主要由兩個可以改變DNA序列的分子組成。透過引導RNA協助Cas9酶,在特定且精準的位置將DNA的兩條鏈進行切割,以便在該位置添加或移除指定的DNA。

日本筑波大學(University of Tsukuba)、日本國家農業暨食品研究組織(National Agriculture and Food Research Organization, NARO)以及橫濱市立大學(Yokohama City University)的科學家們應用CRISPR-Cas9技術於園藝植物基因研究,企圖藉由此技術改變日本傳統的日式庭園植物-日本朝顏(牽牛花)之花朵顏色,從常見的紫色轉變成白色。




日本朝顏,是日本國家生物資源計畫(NBRP)所認可的傳統園藝模式植物中的一種。許多日本學者早已針對此園藝植物進行廣泛的基因研究,例如基因組定序與建立DNA轉移方法。



在日本朝顏的基因組之中,有一個名叫「dihydroflavonol-4-reductase-B(DFR-B)」的基因,是花青素合成酶的活性位點,此基因能夠活化花青素合成酶並產生花青素,因而能控制植物的莖、葉子與花朵的顏色。


然而,在這段基因序列中,由於DFR-B基因還緊連著DFR-A與DRF-C兩個非常密切相關的基因。因此,想要控制日本朝顏花朵顏色的最大挑戰即是:在不改變其他基因的狀況下,準確且明確地控制DFR-B基因。


日本朝顏基因序列中的DFR-B基因片段即CRISPR-Cas9系統的目標基因。透過基因編輯系統精確的改變DFR-B序列,只要DFR-B基因的序列發生改變,就有機會使花青素合成酶失去活性,讓植物的莖、葉子與花朵色彩無法呈現紫色的花青素。


經過基因編輯後的日本朝顏植株,花青素合成酶失去活性,有大約75%的轉基因植物出現綠色莖與白色花朵的性狀;對照非轉基因植物,植株含有有活化的青花素合成酶,因此花朵與莖桿則依然呈現紫羅蘭色。


經過基因序列分析後,研究也證實:轉基因植物中,DFR-B基因序列發生了各種不同的改變,例如序列被刪除、替換、或是多增加了幾個遺傳密碼子等。此外DFR-A與DFR-C這兩個相關基因並沒有發生突變。


值得一提的是,儘管CRISPR-Cas9系統並不能百分百的能夠控制植物花朵的顏色,但在本篇研究中,基因編輯的突變率為75%,相對其它育種方法而言已是相當高的突變率。


此研究的顯著成果不僅證實了使用CRISPR-Cas9系統能成功地將日本朝顏花朵顏色由紫轉白,同時也突顯出CRISPR-Cas9基因編輯工具應用於園藝植物基因研究與操作上的巨大潛力。另一方面,亦提升許多專家學者未來將CRISPR-Cas9系統應用於裝飾性花卉或蔬菜之花朵顏色與花朵形狀相關研究之興趣。

資料來源: 每日科學 Sep 5, 2017   CRISPR technology used to change flower color

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