小麦类胡萝卜素代谢调控机制研究及其高含量新种质创制

Due to huge and complex genome structure, carotenoids metabolic regulation mechanism in wheat remains unclear and the high carotenoid content of wheat germplasm resources is in shortage. This situation greatly limits the basic research on wheat nutrition quality traits and creation of wheat germplasm with excellent nutritional quality. In order to reveal the key steps of carotenoid biosynthesis in wheat, system integration design, combined with genome screening, gene editing and transgenic technology will be used in this study. On this basis, transgenic wheat germplasm with significant increase in beta-carotene content and exogenous DNA-free is to be created. CRISPR/Cas9 gene knockout technology targeting TaHYD and TaLCYE, combined with the key enzyme gene overexpression and RNAi interference will be explored to elucidate metabolic regulation of carotenoid biosynthesis and then to create transgenic wheat rich in vitamin A precursor-carotenoid in endosperm, to meet the peoples’ consumption demand for the high nutritional food.

小麦基因组庞大且复杂，其类胡萝卜素代谢调控机制解析不够深入和类胡萝卜素含量高的种质资源匮乏极大地限制了小麦这一营养品质性状的基础研究和优良营养品质种质资源创制的进程。本研究拟通过系统性集成设计，结合基因组筛选、基因编辑等新技术，以转基因技术为主导，阐明小麦类胡萝卜素生物合成途径的关键步骤。在此基础上，创制外源DNA-free、β-胡萝卜素含量显著提高的转基因小麦新种质。本课题将应用CRISPR/Cas9基因定点敲除技术，对TaHYD和TaLCYE进行单基因和多基因的定点编辑，结合小麦类胡萝卜素合成途径关键酶基因过表达和RNAi干扰技术进行基因工程研究，以揭示小麦类胡萝卜素合成代谢调控规律；在此基础上创制胚乳中富含维生素A前体—类胡萝卜素的六倍体小麦新种质，以满足人民对高营养价值食品的消费需求。

小麦种子中类胡萝卜素含量极低，高类胡萝卜素含量的小麦种质资源匮乏；由于小麦基因组庞大且复杂，其类胡萝卜素代谢调控机制解析不够深入。为此，本研究以转基因技术为主结合基因编辑新技术，克隆了小麦TaHYD1和TaHYD2基因，设计并筛选了靶向TaHYD1和TaHYD2基因的靶位点，通过大规模基因枪转化实验创制了TaHYD1和TaHYD2基因编辑株系。此外，为探明小麦籽粒中内源类胡萝卜素代谢变化分子调控机制，本研究在全基因组内鉴定了小麦类胡萝卜素代谢基因，结合转录组、代谢组技术分析了小麦种子不同组织的类胡萝卜素含量变化以及基因表达变化。这些小麦基因编辑株系的创制和多组学数据的积累为进一步研究小麦类胡萝卜素调控规律奠定了基础，为小麦类胡萝卜素遗传改良提供了材料。本研究完成了项目目标。