Multiplexed CRISPR-Cas9 mutagenesis of rice PSBS1 noncoding sequences for transgene-free overexpression

清脆的 生物 Cas9 遗传学 基因 基因敲除 突变 转基因 基因组编辑 CRISPR干扰 计算生物学 突变
作者
Dhruv Patel‐Tupper,Armen S. Kelikian,Anna Leipertz,Nina Maryn,Michelle Tjahjadi,Nicholas G. Karavolias,Myeong‐Je Cho,Krishna Niyogi
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:10 (23) 被引量:9
标识
DOI:10.1126/sciadv.adm7452
摘要

Understanding CRISPR-Cas9’s capacity to produce native overexpression (OX) alleles would accelerate agronomic gains achievable by gene editing. To generate OX alleles with increased RNA and protein abundance, we leveraged multiplexed CRISPR-Cas9 mutagenesis of noncoding sequences upstream of the rice PSBS1 gene. We isolated 120 gene-edited alleles with varying non-photochemical quenching (NPQ) capacity in vivo—from knockout to overexpression—using a high-throughput screening pipeline. Overexpression increased OsPsbS1 protein abundance two- to threefold, matching fold changes obtained by transgenesis. Increased PsbS protein abundance enhanced NPQ capacity and water-use efficiency. Across our resolved genetic variation, we identify the role of 5′UTR indels and inversions in driving knockout/knockdown and overexpression phenotypes, respectively. Complex structural variants, such as the 252-kb duplication/inversion generated here, evidence the potential of CRISPR-Cas9 to facilitate significant genomic changes with negligible off-target transcriptomic perturbations. Our results may inform future gene-editing strategies for hypermorphic alleles and have advanced the pursuit of gene-edited, non-transgenic rice plants with accelerated relaxation of photoprotection.

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