基因编辑拓宽了番茄的eIF4E1遗传多样性并对多种马铃薯病毒产生抗性

基因组编辑技术能够直接修饰特定位点的基因组，从而高效简单地调控植物的特定农艺性状。某些种质中的病原体抗性是植物与病原体之间相互作用进化的结果。这通常表现为易感基因的抗性等位基因的自然多样性。这些基因在易感植物种质中被病毒劫持，植物必须在不损害其生长的情况下进化出有效的抗性。真核翻译起始因子eIF4E是与马铃薯病毒的病毒基因组相关蛋白 (VPg) 编码基因共同进化的基因之一。eIF4Es是一个由mRNA 5'-cap 结合蛋白组成的小型多基因家族，对于真核生物中的翻译起始是必不可少的。

前人研究已发现eIF4E的突变在生菜、豌豆和番茄等作物物种中作为抗性等位基因。有趣的是，与易感突变体相比，这些天然突变体仅在其 eIF4E1 氨基酸序列中进行了替换。这些替换高度聚集在 eIF4E1 蛋白的两个区域——命名为区域 I 和区域 II。在番茄中，已通过 TILLING、RNAi 和 CRISPR/Cas9 等方法产生多种靶向 eIF4E1 和/或 eIF4E2 的 eIF4E 敲除突变体具有马铃薯病毒抗性。

尽管突变基因型表现出对马铃薯病毒的抗性，但单基因敲除抗性谱是有限的。只有严重发育迟缓的双eif4e1；eif4e2敲除 (KO) 突变体的抗性谱与天然等位基因pot1提供的抗性谱一样大。这是因为大多数马铃薯病毒可以互换使用番茄S/eIF4E1 和S/eIF4E2。因此，KO 策略是可以实现的，但与天然抗性 eIF4E 不同，由于功能冗余和这种蛋白质的重要性，番茄 eIF4E 的单 KO 和双 KO 都不能完全满足农艺需求。这些结果促使我们研究更精确的基因组编辑技术如何根据积极选择的非同义突变来帮助设计抗性表型，而不是在番茄等作物中产生 KO 等位基因。

2023年1月30日，研究者在Plant Biotechnology Journal 发表了一篇研究论文。作者利用基因组编辑方法来诱导 e IF4E1基因的非同义突变，并在番茄中创造遗传多样性，赋予其对多种马铃薯病毒的抗性，而不影响翻译起始的功能。

作者针对eIF4E1中特定区域的多个碱基使用基于 TALEN 的基因敲入和CRISPR 介导的碱基编辑技术，编辑了编码 eIF4E1 蛋白两个区域的基因组序列，结合两个区域的氨基酸突变产生了番茄eIF4E1等位基因的从头功能抗性。具有该等位基因的编辑植物显示出迄今为止通过基因工程在番茄中实现的最广泛的马铃薯病毒抗性谱。作者研究结果表明，在番茄eIF4E1两个不同的结构域中诱导靶向遗传变异进行多重饱和修饰，在保持功能的同时实现了广泛病毒抗性。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.14003

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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