高煙堿K326 定向改良材料的創制與分析

鄭淑心，閆筱筱，王召軍，張洪映，崔 紅

河南農業大學煙草學院，鄭州市金水區文化路95號 450002

煙草生物堿是影響煙草品質的一類重要物質［1］。煙草生物堿主要分為煙堿、新煙堿、降煙堿和假木賊堿，其中煙堿含量（質量分數）占生物堿總量的90%～95%［2］。近年來，隨著工業降焦技術的飛速發展，卷煙焦油量得到了有效控制，但同時卷煙產品的煙堿和致香物質含量也逐漸減少，導致卷煙產品的香氣減弱［3-4］。而提高煙堿含量的煙葉可在降低焦油釋放量的同時，最大限度地滿足感官需求，受到工業企業的青睞。雖然，栽培措施對煙堿合成和積累有明顯的調控作用［5-6］，但僅依靠肥料用量、留葉數來調控煙堿，無疑會導致煙葉發育不正常以及化學成分的不協調［7-8］。近年來，CRISPR/Cas9 技術已實現了在多個物種中的應用。在煙草中，也相繼實現了單基因定點突變和多基因靶點敲除，均表明CRISPR/Cas9 基因編輯系統的有效性和可行性。因此，采用基因編輯技術對煙堿合成相關基因進行編輯，實現煙堿代謝的定向調控，對培育高煙堿烤煙品種具有重要意義。

生物堿的合成過程不僅受喹啉酸磷酸核糖基轉移 酶（Quinolinic acid phosphoribosyl trandaferase，QPT）、腐 胺- N -甲 基 轉 移 酶（PutrescineN-methyltransferase，PMT）、鳥氨酸脫氨酶（Ornithine decarboxylase，ODC）和PIP 家族還原酶（A622）等關鍵酶類催化調控，同時也受茉莉酸（JA）信號途徑的調節［9］。JAZ 作為JA 途徑信號模塊（SCFCOI1-JAZMYC2）的關鍵抑制因子［10-11］，廣泛參與調控植株免疫反應、生長發育和代謝物質的合成等過程，其中Zhang 等［12］、Howe 等［13］和Wang 等［14］的研究表明，煙草NtJAZ1參與調控煙堿的合成。另外，煙草JAZ基因沉默激活JA信號下游相關基因大量表達，顯著提高植株對煙芽夜蛾的抗性［15］。但煙草NtJAZ1基因突變對煙草生長發育及品質的影響卻鮮有報道。此外，擬南芥AtJAZ1基因在低溫條件下能促進植株次生代謝的發生，提高植株的耐寒性，維持植株正常生長發育［16-17］。水稻JAZ可以調控碳水化合物的合成［18］，在JA介導的白葉枯病抗性反應過程中發揮重要作用［19］。過表達JAZ9的水稻轉基因株系通過調控離子平衡等顯著提高植株的耐鹽性［20］。因此，以普通烤煙品種K326為材料，通過CRISPR/Cas9技術敲除NtJAZ1基因獲得定向改良的高煙堿材料，并對其農藝性狀、煙堿含量、腺毛密度和葉面化學成分等進行了分析，旨在為培育優質煙葉原料提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為本課題組保存的烤煙品種K326。K326 種子經消毒后播種在MS 培養基上，用于農桿菌的遺傳轉化。另外，K326突變材料播種于育苗盤上，按煙草行業標準進行育苗［21］，于2020年5月移栽種植于河南許昌隔離封閉試驗田。田間種植和管理按照烤煙栽培技術流程［22］和當地優質煙葉栽培規程進行。

1.2 試驗方法

1.2.1NtJAZ1基因敲除載體的構建

根據茄科基因組網站（https：//solgenomics.net/）已發表的煙草NtJAZ1基因兩個拷貝的序列（Nitab 4.5_0000073g0270.1、Nitab4.5_0004234g0080.1），利用CRISPR2 在線軟件（http：//crispr.hzau.edu.cn/CRIS PR2/）設計gRNA 序列：5′-GCAGTAGAAATAACTT CTTG-3′（341～360 bp），合成Oligo 二聚體后連上CRISPR/Cas9 基因敲除載體。將該載體轉化根癌農桿菌EHA105 中，根據葉盤轉化法對K326 無菌葉片進行農桿菌侵染，同時以空載體進行陽性對照試驗。

提取突變體和對照幼苗DNA，通過PCR擴增和靶位點測序分析其序列突變情況，使用的引物如表1所示。

表1 擴增引物序列Tab.1 Amplification primer sequences

1.2.2 植物學性狀調查

在煙株現蕾期，按照煙草行業標準方法［23］分別測量煙草K326和NK-9的株高、葉數、葉長、葉寬、莖圍和節距等農藝性狀指標，每個煙草株系測量10株。

1.2.3 煙堿含量測定

在現蕾期（移栽后60 d）、打頂期（移栽后75 d）、和成熟期（移栽后90 d），分別選取K326 和NK-9 的中部葉（從下向上數10～12 葉位）測定煙堿含量（質量分數）。將葉片置于105 ℃殺青1 h，在85 ℃烘干至恒質量。將葉片研磨后過0.250 mm 孔徑的樣品篩，稱取200 mg樣品于甲基叔丁基醚（MTBE）中萃取24 h，轉移上清液至氣相色譜-氫火焰離子化檢測器（7890A，美國安捷倫公司）中，按照行業標準方法［24］進行煙堿含量的定量分析，重復3次。

1.2.4 腺毛形態觀察與統計

分別選取K326 和NK-9 中長度約10 cm 的葉片進行腺毛形態和密度觀察。使用質量體積分數為0.2%的羅丹明B 溶液染色20～30 min，用無菌水清洗后，放置于超景深顯微鏡（VHX-5000，日本基恩士公司）下進行腺毛形態拍照和密度統計。

1.2.5 葉面化學成分含量測定

分別挑選5株生長狀況良好的K326和NK-9，取其中部葉進行葉面化學成分含量測定，重復3次。通過二氯甲烷浸提、無水硫酸鈉攪拌干燥，用定量濾紙過濾至圓底燒瓶中。經旋轉蒸發后加入1 mL 內標（2.020 mg/mL的八乙酸蔗糖酯+2.542 mg/mL的十七烷醇混合溶液）定容于棕色容量瓶中，在氮氣保護下將溶劑吹干。然后，加入500 μLV（N，N-二甲基甲酰胺）∶V（N，O-雙三甲硅基三氟乙酰胺）=1∶1 的溶液，在75 ℃水浴中進行衍生化反應。最后，分別加入N，O-雙乙酰胺和吡啶125 μ L，即為GC/MS 分析樣品液。將樣品液置于GC/MS分析儀（HP-5890，美國賽默飛世爾科技有限公司）中進行化學成分的定性和定量分析，具體方法參考文獻［25］。

1.2.6 常規化學成分含量測定

分別選取K326 和NK-9 的C3F 煙葉于75 ℃烘箱中烘干并研磨成粉，并過0.250 mm 孔徑的樣品篩，稱取0.25 g 煙末于三角瓶中，加入25 mL 體積分數為5%的醋酸溶液，共振蕩萃取30 min，定性濾紙過濾后作為待測液，用連續流動分析儀（AA3，德國水爾公司）按照行業標準方法［26-28］測定水溶性總糖、還原糖、煙堿、氯和鉀含量（質量分數），重復3次。

1.2.7 中性香氣物質測定

參照趙銘欽等［29］的方法測定烤后煙葉（C3F）中性香氣物質含量。

1.2.8 生物堿合成相關基因表達分析

利用植物總RNA 提取試劑盒（DP4332，天根生化科技有限公司）分別提取K326 和NK-9 的根系總RNA，利用反轉錄試劑盒（NovoScript?ⅡReverse Transcriptase，上海近岸科技有限公司）合成cDNA第一鏈。根據NCBI GenBank 中的煙堿合成相關基因（NtMYC2a、NtMYC2b、NtPMT、NtQPT、NtODC和NtA622）序列，利用Primer Premier 5.0 軟件設計熒光定量PCR 引物，上下游引物見表1，以L25（L18908）為內參基因。RT-PCR 反應程序：95 ℃2 min；95 ℃15 s，58 ℃15 s，72 ℃20 s，40個循環；溶解曲線：95 ℃15 s，58 ℃15 s，20 min 內升至95 ℃，95 ℃15 s。重復3 次。

1.2.9 數據處理

數據采用SPSS 17軟件進行單因素方差分析，用最小顯著差數法進行差異顯著性檢驗，用Sigmaplot 14.0軟件進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 高煙堿K326突變材料的創制和分子鑒定

通過農桿菌介導法將NtJAZ1基因敲除載體導入K326，經過潮霉素抗性篩選后，共獲得22 株陽性植株。分別利用NtJAZ1-1和NtJAZ1-2特異引物（表1）進行PCR擴增和產物測序后發現10株的gRNA序列出現堿基突變，基因編輯效率為45.45%。突變情況分析表明，NtJAZ1-1靶位點序列發生突變的株系為NK-3、NK-4、NK-8、NK-9、NK-12、NK-15 和NK-17，NtJAZ1-2靶位點序列發生突變的株系為NK-3、NK-4、NK-6、NK-9、NK-12、NK-15、NK-19 和NK-22。其中，NK-9 中均為純合突變，且NtJAZ1-1靶位點序列在1587～1641 bp 處缺失55 個堿基，NtJAZ1-2靶位點序列在1547～1548 bp 缺失2 個堿基（圖1）。

圖1 NK-9株系的分子鑒定Fig.1 Molecular identification of NK-9 line

為驗證NtJAZ1基因敲除對煙堿合成的影響，采用RT-PCR對相關煙堿合成基因進行表達量分析，結果如圖2 所示。圖2 表明，與K326 相比，NK-9 中NtMYC2a、NtMYC2b、NtPMT和NtQPT的相對表達量明顯提高，但NtODC和NtA622的相對表達量無顯著變化。

圖2 NK-9株系相關基因的相對表達量Fig.2 Relative expressions of genes of NK-9 line

2.2 NtJAZ1 基因敲除對植物學性狀及葉面化學成分的影響

分別對植株形態和農藝性狀進行觀察與調查，結果見表2和圖3A。與K326相比，NK-9生長良好，株高、葉數和葉寬顯著高于對照K326，葉長顯著低于K326，莖圍和節距差異不顯著。腺毛形態觀察和密度統計分析結果見圖3B，與K326相比，NK-9腺毛總數為77.29 根/mm2，降低14.62%，長柄分泌型腺毛數量降低20.19%。對葉面化學成分分析（圖3C）發現，NK-9 的葉面化學成分總量為39.70 μg/cm2，西柏烷類二萜含量為34.43 μg/cm2，明顯低于K326，分別降低23.71%和25.32%。這表明NK-9 生長發育良好，NtJAZ1具有調控腺毛發育和葉面化學合成分泌的功能。

表2 NK-9株系的農藝性狀指標①Tab.2 Agronomic trait indexes of NK-9 line

圖3 NK-9株系的田間生長發育狀況Fig.3 Growth and development of NK-9 line in fields

2.3 NtJAZ1基因敲除對煙葉煙堿含量的影響

分別在現蕾期、打頂期和成熟期對煙葉進行煙堿含量測定，結果見圖4。與對照K326相比，隨著煙株的生長發育，NK-9 煙葉煙堿逐漸積累，在現蕾期顯著提高33.26%，在打頂期和成熟期分別極顯著提高36.41%和39.28%。由此可見，NtJAZ1基因敲除后促進了煙株中煙堿的合成。

圖4 NK-9株系的煙堿含量Fig.4 Nicotine content of NK-9 line

2.4 NtJAZ1基因敲除對烤后煙葉化學成分的影響

2.4.1NtJAZ1基因敲除對常規化學成分的影響

選取C3F 等級煙葉進行常規化學成分測定，結果（表3）顯示：與對照K326 相比，NK-9 烤后煙葉煙堿含量提高44.91%，差異達極顯著水平，氮堿比和糖堿比偏低，總糖、還原糖、總氮、氯和鉀含量在適宜范圍內。

表3 烤后煙葉化學成分含量Tab.3 Contents of chemical components in cured tobacco leaves

2.4.2NtJAZ1基因敲除對中性香氣成分的影響

對C3F 等級煙葉進行香氣物質含量分析，結果（表4）顯示：共檢測出棕色化反應產物、類胡蘿卜素類降解產物、苯丙氨酸類降解產物、西柏烷類降解產物和新植二烯五大類。

從表4 可以看出，與對照K326 相比，NK-9 煙葉的新植二烯含量提高35.02%，類胡蘿卜素類降解產物含量總體上增加，棕色化反應產物總量和西柏烷類降解產物含量略有降低，中性香氣物質總量略高，達1060.35 μg/g。說明NtJAZ1基因敲除株系中的新植二烯和中性致香物質總量明顯提高。

表4 烤后煙葉中性香氣物質含量Tab.4 Contents of neutral aroma components in cured tobacco leaves （μg·g-1）

3 討論

本試驗中通過CRISPR/Cas9 技術對K326 中NtJAZ1基因序列進行編輯，導致該基因發生移碼突變，翻譯提前終止，獲得了NtJAZ1基因敲除材料NK-9。對NK-9 根系中煙堿合成基因的表達量分析發現，調控煙堿生物合成基因NtMYC2a、NtMYC2b、NtPMT和NtQPT的相對表達量出現不同程度增加，使NK-9株系在現蕾期、打頂期和成熟期的煙葉煙堿含量分別顯著增加33.26%、36.41%和39.28%。這與Zhang 等［12］和Shoji 等［30］的研究結果一致，這些結果證明，NtJAZ1基因是煙堿生物合成調控的重要靶點之一。

在提高煙堿含量的同時，保證煙株正常的生長發育對于煙草品種定向改良至關重要。本研究中對NK-9株系的農藝性狀進行分析，發現NtJAZ1基因失去功能后，基本不影響煙株正常的生長發育。雖然葉長與對照相比有所減小，但株高、葉數和葉寬顯著提高，對煙葉生產并無嚴重的不良影響。荊葉醒等［31］在小麥研究中也發現，小麥TaJAZ1基因編輯后，植株生長發育狀況良好。由此推測，NtJAZ1基因在應答茉莉酸甲酯（MeJA）信號調控次生代謝的同時，其功能缺失并不影響植株正常的生長發育。當然，由于煙株發育受栽培和多種環境因素的影響，NtJAZ1基因對煙株發育的影響還需要多年多點的試驗進一步驗證。

NtJAZ1基因在調控煙堿合成的同時，對煙葉其他化學成分也有一定影響。本研究中對獲得的NK-9 株系烤后煙葉進行分析發現，NK-9 煙葉中性致香物質總量提高，其中新植二烯和類胡蘿卜素類降解產物明顯增加，這對煙葉品質有積極影響。但NtJAZ1基因的敲除也導致了煙葉葉面腺毛，尤其是長柄分泌型腺毛密度的減小，使腺毛分泌物，尤其是類西柏烷二萜化合物含量降低，最終導致了烤后煙葉中西柏烷類香氣物質茄酮含量減少，這對煙葉品質有不利影響。關于JAZ家族基因調控腺毛發育方面，在擬南芥［32］、番茄［33］和青蒿［34］中已有報道，但NtJAZ1基因調控煙草腺毛發育的分子機制還需進一步研究。另外，可通過多性狀聚合途徑，在NtJAZ1敲除的植株上對腺毛密度進行定向改良，在保證煙堿高積累的同時，促進腺毛發育和分泌物的積累，從而提高煙葉品質。

4 結論

利用CRISPR/Cas9 技術獲得了NtJAZ1基因敲除的定向改良株系NK-9。田間試驗表明，NK-9 株系生長發育良好，在現蕾期、打頂期和成熟期中部葉片煙堿含量分別提高33.26%、36.41%和39.28%，烤后煙葉煙堿含量提高44.91%，中性致香物質總量顯著增加。這表明NtJAZ1基因敲除能顯著增加煙葉煙堿含量，促進煙葉中性致香物質的積累，是進行煙堿含量定向改良的重要靶點。