CROPS OF THE FUTURE

OilCas

Verbesserung von Ölraps durch Cas9-vermitteltes Genome Editing

Koordinator: Prof. Dr. Christian Jung – Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Projektbeschreibung

Genome Editierung durch eine Cas9-vermittelte Mutagenese konnte bereits in mehreren Kulturarten, Raps eingeschlossen, erfolgreich gezeigt werden. Im Allgemeinen werden die Gene stabil in das Kerngenom der Nutzpflanze integriert, es können aber auch alternative Techniken ohne die Insertion eines Transgens zur Editierung verwendet werden. Die meisten Transformationsprotokolle beinhalten eine lange, arbeitsintensive Gewebekulturphase, die ein hohes Maß an Know-How erfordert und keine Hochdurchsatzverfahren zulässt. Daher zielen wir in diesem Vorhaben auf die Etablierung eines vereinfachten transienten Transformationsprotokolls ab, das junge Rapskeimlinge, Agrobakterien und Ultraschall verwendet. Die resultierenden Pflanzen sind nicht transgen und können direkt im Gewächshaus weitervermehrt werden. Das neue Protokoll sollte auch weniger abhängig vom verwendeten Genotyp sein und daher in weitem Umfang in der Rapszüchtung eingesetzt werden können.

Wir sind in der glücklichen Lage, aus einem früheren Projekt sowohl EMS-mutagenisierte TILLING-Mutanten zu besitzen, als auch Cas9-editierte Mutanten im gleichen Zielgen. Mittels eines Cas9-vermittelten Genaustausches werden wir in diesem Projekt Cas9-Mutanten erstellen, die an der gleichen Position im Zielgen verändert sind wie unsere TILLING-Mutanten. Dies ermöglicht uns einen Vergleich beider Mutantentypen. Das Ergebnis wird die Vorzüge des Genome Editing beleuchten und die Risiken beider Verfahren aufzeigen.

Raps (Brassica napus, 2n = 38, AACC) ist eine polyploide Nutzpflanze, die aus der natürlichen Hybridisierung von Brassica rapa (2n = 20, AA) and Brassica oleracea (2n = 18, CC) hervorgegangen ist. Aufgrund vorangegangener Triplikationsereignisse im Genom der beiden Vorfahren, haben wir in der Praxis daher oft den Fall, dass wir für ein Gen der Modellpflanze Arabidopsis sechs homöologe Gene im Raps finden, die zumeist redundante Funktionen haben. Da dies eine züchterische Bearbeitung erschwert, könnte ein gleichzeitiges Genom-Editing mehrerer Homöologe (Multiplexing), entscheidende Veränderungen bereits in einer einzigen Generation erreichen. Wir haben bereits erfolgreich Multiplexing in Raps angewandt (Braatz et al. 2017). In diesem Projekt werden wir diese Technik unter Verwendung polycistronischer tRNA-gRNA weiterentwickeln, um durch Ausschaltung redundanter Gene Raps mit einem erhöhten Ertragspotential durch eine erhöhte Zahl von Samenkammern zu erzeugen. In einem weiteren Ansatz werden wir Gene des Glucosinolat-Stoffwechsels ausschalten um diese antinutritiven Verbindungen im Rapssamen weiter abzusenken.

Durch Kombination von innovativen Genome Editing-Methoden streben wir die Erzeugung wertvoller neuer Prototypen für die Züchtung an mit vielversprechenden Pespektiven für künftige Anwendungen.

(english (Beta))

OilCas
Improving oilseed rape by Cas9-mediated genome editing

Projektbeschreibung (en)

Genome editing by Cas9-mediated mutagenesis has been successfully demonstrated in a number of crop plants including oilseed rape. Commonly, the constructs are stably integrated into the nuclear genome after transformation. Alternatively, innovative genome editing techniques without transgene insertions can be used. Furthermore, many transformation protocols include a tissue culture phase, which is often a time-consuming bottleneck and which needs a lot of expertise, thus limiting high-throughput applications. Consequently, we are aiming at the establishment of a transient sonication-assisted Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation technique which could be applied to rapeseed seedlings. Resulting plants will not carry transgenes and regeneration from tissue culture can be omitted. It is to be expected that the protocol can be applied to a broad range of genotypes and will thus strongly contribute to future research and breeding programs.

Following up a previous project, we are in the unique position of having mutant plants from both a random EMS mutagenesis experiment (TILLING) and from targeted Cas9 mutagenesis at hand. Using Cas9-mediated gene replacement, we will generate plants with identical mutations to our TILLING mutants. This allows us to assess the general plant fitness of both mutant types. The findings will highlight the advantages of genome editing and contribute to risk assessment of mutant plants.

Rapeseed (Brassica napus, 2n = 38, AACC) is a polyploid crop which resulted from the natural hybridization of the progenitors Brassica rapa (2n = 20, AA) and Brassica oleracea (2n = 18, CC). This implies the presence of at least two homoeologous genes for each gene of the model plant Arabidopsis thaliana. In practice, six rapeseed homoeologs with potentially redundant functions are common due to ancient genome duplication events in the evolution of Brassica species. While this drastically complicates rapeseed breeding, multiplexed genome editing can facilitate the introduction of multiple mutations within a single generation. We have successfully applied multi-paralog targeting in rapeseed (Braatz et al. 2017). Now, we will further develop a multiplexing strategy for targeted mutagenesis of rapeseed based on a polycistronic tRNA-gRNA technique. By knocking out redundant genes in parallel, we

will produce rapeseed with an increased number of seed chambers, which has a potential to increase seed yield. At the same time, we will target the glucosinolate biosynthesis pathway to reduce anti-nutritive compounds in rapeseed products. By combining innovative genome editing techniques with aiming at phenotypes that are valuable for breeding, we provide promising perspectives for future applications.

Eckdaten

CROPS OF THE FUTURE

OilCas

Projektlaufzeit

01.07.2018 - 30.06.2020

Förderkennzeichen

031B0533

Fördersumme

Öffentlich: 304.177,00 €
Privat: 0,00 €
Gesamt: 304.177,00 €
Herr Prof. Dr. Christian Jung
E-Mail-Kontakt
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Christian-Albrechts-Platz 4
24118 Kiel
Deutschland
Herr H.-J. Harloff
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Am Botanischen Garten 1-9
24118 Kiel
Deutschland
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Herr Dr. Tahim Islam
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

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