中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作科所利用基因編輯創(chuàng)制出具有高產(chǎn)和氮高效利用潛力的小麥新種質(zhì)

　　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基因編輯技術(shù)，定點(diǎn)敲除小麥品種鄭麥7698中的  TaARE1  基因，獲得了具有高產(chǎn)和氮高效利用潛力的小麥新種質(zhì)，為培育資源高效利用小麥品種提供了新途徑，對(duì)于減少氮肥施用量，增加小麥產(chǎn)量，確保糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。7月16日，相關(guān)研究成果在《植物學(xué)報(bào)（Journal of Integrative Plant Biology）》上在線發(fā)表。

 

　　據(jù)夏蘭琴研究員介紹，氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育必須的營(yíng)養(yǎng)素之一。農(nóng)業(yè)實(shí)踐中主要依靠大量施用氮肥提高小麥產(chǎn)量，滿(mǎn)足人類(lèi)不斷增長(zhǎng)的糧食需求。小麥“綠色革命”后，耐高肥和抗倒伏的半矮稈品種的廣泛種植雖然大幅度提高了小麥產(chǎn)量，但長(zhǎng)期過(guò)度使用氮肥不僅提高了種植成本，也加劇了環(huán)境污染和生態(tài)惡化。目前普遍存在品種氮素利用效率低的問(wèn)題，大多數(shù)小麥品種對(duì)氮肥的利用效率不足40%。因此，提高氮素利用效率對(duì)小麥生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。目前，利用基因編輯技術(shù)編輯氮素同化相關(guān)基因，提高小麥氮素利用效率的研究還未見(jiàn)報(bào)道。

 

　　ARE1 是一個(gè)重要的氮素同化途徑的負(fù)調(diào)控因子。水稻中 ARE1 的功能缺失型突變體可以延緩植株衰老并可在氮素有限的條件下提高水稻產(chǎn)量。該研究從冬小麥品種鄭麥7698中分離鑒定出水稻 ARE1 同源基因，分析了 TaARE1 三個(gè)同源基因（ TaARE1-A 、 TaARE1-B 、 TaARE1-D ）在小麥中的亞細(xì)胞定位和表達(dá)模式。進(jìn)一步通過(guò)CRISPR/Cas9技術(shù)靶向編輯 TaARE1 基因，經(jīng)過(guò)后代分離，成功獲得了系列無(wú)轉(zhuǎn)基因小麥 taare1 突變體，包括 AABBdd ， aabbDD ， aaBBdd 和 aabbdd 。在缺氮和不同供氮條件下的水培試驗(yàn)中，不同突變株系的根皮層細(xì)胞體積顯著增大，細(xì)胞數(shù)量增加，尤其是 AABBdd 和 aabbDD 株系增加最為明顯。研究還發(fā)現(xiàn)在氮饑餓條件下，與野生型對(duì)照相比，不同的突變株系中參與氮素吸收、運(yùn)輸和同化的關(guān)鍵基因均被不同程度的誘導(dǎo)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，在同等種植條件下，與野生型對(duì)照相比，所有突變體的植株衰老明顯延緩，粒長(zhǎng)和千粒重均有明顯增加； AABBdd 、 aabbDD 和 aaBBdd 突變體的粒寬增加明顯。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所左建儒團(tuán)隊(duì)于7月20日在《遺傳學(xué)報(bào)（Journal of Genetics and Genomics）》上也發(fā)表了同樣的研究成果，對(duì)小麥品種科農(nóng)199的 TaARE1 基因進(jìn)行編輯，不同突變體表現(xiàn)出延緩衰老，并可在氮素有限的條件下提高氮素利用效率和產(chǎn)量。上述結(jié)果表明： TaARE1 基因的敲除有助于提高小麥氮素利用效率和產(chǎn)量， AABBdd 和 aabbDD 編輯小麥可以作為氮高效高產(chǎn)小麥新種質(zhì)用于小麥品種改良。該研究結(jié)果為進(jìn)一步通過(guò)基因組編輯技術(shù)調(diào)控氮素同化途徑，提高小麥和其他糧食作物產(chǎn)量提供了新方法。

　　TaARE1基因的分子特征、鄭麥7698品種中taare1缺失突變體創(chuàng)制及農(nóng)藝性狀分析

 

　　作科所在讀博士研究生張佳慧為論文的第一作者，夏蘭琴研究員為通訊作者。該研究得到了國(guó)家基礎(chǔ)科技研發(fā)計(jì)劃、農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新計(jì)劃、中央公益性科研機(jī)構(gòu)基金和中國(guó)農(nóng)科院農(nóng)科英才“領(lǐng)軍人才”特支計(jì)劃的資助。

 

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1111/jipb.13151.