近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所作物轉(zhuǎn)基因及基因編輯技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，利用CRISPR/Cas9介導(dǎo)的多基因編輯技術(shù)，在冬小麥品種鄭麥7698中實(shí)現(xiàn)了同時(shí)靶向2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)和5個(gè)基因的定點(diǎn)敲除編輯，一代實(shí)現(xiàn)了多個(gè)優(yōu)異等位基因聚合，并通過胚拯救和后代分離，成功獲得了無(wú)轉(zhuǎn)基因、聚合多個(gè)優(yōu)異等位基因的小麥新種質(zhì)，為小麥和其它多倍體農(nóng)作物開展多基因聚合育種提供了重要的技術(shù)支撐。相關(guān)研究成果于4月1日在線發(fā)表于《分子植物（Molecular Plant ）》上。
小麥?zhǔn)鞘澜缟现匾募Z食作物之一，其安全生產(chǎn)關(guān)系到我國(guó)乃至世界的糧食安全。在過去幾十年里，隨著綠色革命和育種技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)小麥品種改良取得了輝煌成績(jī)。但是，隨著人口增長(zhǎng)、全球氣候變暖導(dǎo)致自然災(zāi)害頻發(fā)、耕地逐年減少、化肥農(nóng)藥使用過度等導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，小麥安全生產(chǎn)依然面臨著巨大挑戰(zhàn)。由于小麥的基因功能冗余和多倍體特性，利用常規(guī)育種方法，對(duì)多個(gè)基因控制的復(fù)雜農(nóng)藝性狀進(jìn)行遺傳改良，耗時(shí)費(fèi)力、周期長(zhǎng)、效率低。目前，CRISPR/Cas9系統(tǒng)介導(dǎo)的基因編輯技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物功能基因組學(xué)研究和作物遺傳育種改良。但由于小麥為異源六倍體、基因組比較大且背景復(fù)雜，遺傳轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低，目前仍然缺乏高效的小麥多基因編輯體系。
在本研究中，利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)和多順反子tRNA自剪切體系，以目前黃淮麥區(qū)大面積推廣種植的冬小麥品種鄭麥7698為受體材料，開發(fā)了一種高效、通用的多基因編輯技術(shù)。以穗發(fā)芽抗性相關(guān)（TaQsd1）、氮吸收利用（TaARE1）、株型（TaNPT1、TaIPA1）、支鏈淀粉合成（TaSBEⅡa）和磷轉(zhuǎn)運(yùn)（TaSPDT ）六個(gè)基因作為靶基因，分別構(gòu)建同時(shí)靶向2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)和5個(gè)基因組合的多基因編輯載體。該載體由水稻組成型啟動(dòng)子Actin驅(qū)動(dòng)表達(dá)多個(gè)串聯(lián)排列的tRNA-gRNAs單元，并且添加了具有增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄本穩(wěn)定性的PolyA結(jié)構(gòu)和Nos終止子終止表達(dá)。將上述多基因編輯載體通過轉(zhuǎn)化鄭麥7698，獲得了2、3、4、5個(gè)基因在15個(gè)基因組位點(diǎn)編輯的植株，最高編輯效率可達(dá)50%。進(jìn)一步通過胚拯救和后代分離，在T1代中成功獲得了無(wú)轉(zhuǎn)基因、多個(gè)優(yōu)異等位基因聚合的小麥新種質(zhì)。小麥高效、通用多基因編輯體系的建立，將有助于促進(jìn)小麥分子生物學(xué)研究和復(fù)雜性狀形成的網(wǎng)絡(luò)解析，定向創(chuàng)制小麥新種質(zhì)，加速育種進(jìn)程。
作科所在讀碩士研究生羅金滿為本文第一作者，夏蘭琴研究員和馬有志研究員為本文共同通訊作者。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃、農(nóng)科英才特支計(jì)劃、中央公益性科研機(jī)構(gòu)基金和創(chuàng)新工程等項(xiàng)目資助。
https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.03.024
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