马铃薯低温糖化相关基因区域低温诱导型顺式调控元件的挖掘与鉴定

Cold-stored potato tubers accumulate reducing sugars by breaking down starch, in a process termed cold-induced sweetening (CIS), which results in unacceptable brown, bitter-tasting products and elevated levels of a potential carcinogen. Thus, the improvement of CIS resistance has become one of the most important goals in potato breeding program. Traditional breeding approaches usually are less targeted, while gene manipulation-assisted breeding methods sometimes cause undesirable phenotypes and abnormal development. To minimize the side effects, interfering gene expression through its cold-inducible cis-regulatory elements provides alternative way for the improvement of the potato CIS resistance. In this project, we propose herein to identify CIS-associated cold-inducible cis-regulatory elements by using bioinformatic analyses. Subsequently, predicted cis-regulatory elements will be validated using both transient transformation and potato stable transformation. Furthermore, one to two cold-inducible enhancers will be edited using CRISPR/Cas9 system. The outcome of this project will not only provide multiple cold-inducible cis-regulatory for their application in potato CIS resistance breeding, but it will also create alternative approach for improving the potato CIS resistance as well as other important agricultural traits, through modifying cold-inducible enhancer(s).

马铃薯低温储藏导致的低温糖化严重影响其加工产品品质。因此，抗低温糖化性状的改良是马铃薯育种的重要目标之一。传统育种方法目标性较弱、周期较长；基因操作辅助育种潜在的缺陷是可能导致植株在正常生长环境下非目标性状的改变。然而，从基因表达调控入手，对低温诱导型顺式调控元件进行干预，使其调控基因在常温下保持正常功能但又不受低温诱导，进而达到改良抗低温糖化性状的目的，同时减少非目标性状产生的可能。本项目拟通过生物信息学手段对低温糖化相关基因区域低温诱导顺式调控元件进行分离；利用瞬时和转基因稳定转化进行功能验证；对个别低温诱导型增强子进行编辑。该项目预期将鉴定一系列低温诱导型顺式调控元件，为将来通过改造这些元件，对马铃薯栽培品种抗低温糖化性状的改良提供选择和理论基础。同时，初步探索通过编辑低温诱导型增强子，提高抗低温糖化性状的可能性，为实现马铃薯抗低温糖化性状乃至更多重要农艺性状的改良提供一个全新思路。

马铃薯块茎的低温储藏会导致低温糖化现象，从而影响马铃薯块茎的品质。传统育种改良时间长、所需群体大，目标性较弱，分子辅助育种成为了马铃薯抗低温糖化育种的一个重要方式。对目标基因的沉默或编辑可能会导致非目标性状的改变从而导致马铃薯产量降低等不良影响，因此本项目采用从基因表达调控层面入手，通过DNase-seq和RNA-seq联合分析，筛选出了与低温糖化相关的8个基因及其附近15个候选顺式调控元件；通过烟草瞬时转化对这些候选顺式调控元件进行了初步的启动子和增强子活性验证；利用拟南芥稳定转化和马铃薯稳定转化对部分候选顺式调控元件进行组织特异性和低温诱导性验证；最后我们通过对具有低温诱导性的顺式调控元件进行CRISPR/cas9编辑以期达到调整抗低温糖化的目的。 研究结果表明，在15个候选顺式调控元件中，有13个具有顺式调控元件功能，各自具有不同的组织特异性。我们成功鉴定出4个具有低温诱导性的顺势调控元，其中1个具有马铃薯块茎特异性和低温诱导性。本项目鉴定出的顺式调控元件及其改造可以低温糖化过程中相关基因的表达调控机制提供理论认识，该项目的实施及完成可为抗低温糖化育种提供潜在的种质资源和重要的思路。