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)編輯敲除冬小麥品種鄭麥7698和春小麥品種Bobwhite中的 SBEIIa 基因，分別獲得了高抗性淀粉的冬、春小麥新種質(zhì)，為培育營(yíng)養(yǎng)功能型小麥新品種提供了新途徑。相關(guān)研究成果于11月25日在國(guó)際植物學(xué)知名期刊《植物生物技術(shù)雜志（Plant Biotechnology Journal）》上在線發(fā)表。

 

　　據(jù)夏蘭琴研究員介紹，淀粉是小麥籽粒的主要組成部分，占小麥胚乳重量的80%以上。淀粉是由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，其中直鏈淀粉約占15%-25%，支鏈淀粉約占 75%-85%。抗性淀粉又稱抗酶解淀粉或難消化淀粉，主要存在于高直鏈、低支鏈淀粉顆粒中，其含量與高直鏈淀粉含量呈直線正相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)抗性淀粉具有調(diào)節(jié)、保護(hù)小腸，防止糖尿病和脂肪堆積以及促進(jìn)鋅、鈣、鎂離子的吸收等功能，是一種非常重要的膳食纖維資源，對(duì)于改善人類健康、降低糖尿病、高血脂和肥胖癥等多種慢性疾病風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。目前，培育高抗性淀粉谷物作物已成為國(guó)內(nèi)外育種和功能食品研究熱點(diǎn)。然而，由于缺乏高抗性淀粉小麥種質(zhì)資源，利用常規(guī)技術(shù)難以培育高抗性淀粉小麥品種，而利用基因編輯創(chuàng)制高抗性淀粉小麥的研究，目前尚未見(jiàn)國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道。

 

　　淀粉分支酶是直接參與支鏈淀粉生物合成的關(guān)鍵酶，研究表明抑制小麥 SBEIIa 基因的表達(dá)可顯著提高直鏈淀粉含量。該研究利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，在冬小麥鄭麥7698和春小麥Bobwhite兩個(gè)品種中定點(diǎn)編輯 SBEIIa 基因，經(jīng)過(guò)后代分離篩選，成功獲得鄭麥7698系列無(wú)轉(zhuǎn)基因突變體，包括 AAbbDD 、 AABBdd 、 aabbDD 、 AAbbdd 、 aaBBdd 和 aabbdd ，在春小麥Bobwhite中獲得了無(wú)轉(zhuǎn)基因 AAbbdd 和 aabbdd 兩個(gè)突變體。分析發(fā)現(xiàn) SBEIIa 基因編輯具有劑量疊加效應(yīng)，其中，兩個(gè)品種 aabbdd 三缺失突變體和Bobwhite的 AAbbdd 突變體顯著影響淀粉顆粒大小和形態(tài)、支鏈淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu)、淀粉的理化和營(yíng)養(yǎng)特性。 aabbdd 三缺失突變體的直鏈淀粉、抗性淀粉、可溶性戊聚糖和蛋白質(zhì)含量顯著增加。消化后，還原糖含量顯著降低，說(shuō)明創(chuàng)制的高直鏈淀粉小麥具有潛在的營(yíng)養(yǎng)保健功能。該研究結(jié)果為進(jìn)一步通過(guò)基因組編輯技術(shù)，提高谷類作物抗性淀粉含量提供了依據(jù)。

 

　　作科所在讀博士研究生李晶瑩，中國(guó)水稻所副研究員焦桂愛(ài)，作科所已畢業(yè)博士研究生孫永偉和作科所副研究員陳雋為本文共同第一作者，夏蘭琴研究員和馬有志研究員為本文共同通訊作者，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)姜東教授和仲迎鑫博士也參與了本項(xiàng)研究。該研究得到國(guó)家基礎(chǔ)科技研發(fā)計(jì)劃、轉(zhuǎn)基因重大專項(xiàng)和中國(guó)農(nóng)科院創(chuàng)新工程與‘農(nóng)科英才’特支計(jì)劃項(xiàng)目資助。

 

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1111/pbi.13519