近日，中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所作物轉基因及基因編輯技術與應用創(chuàng)新團隊，利用CRISPR/Cas9介導的多基因編輯技術，在冬小麥品種鄭麥7698中實現(xiàn)了同時靶向2個、3個、4個和5個基因的定點敲除編輯，一代實現(xiàn)了多個優(yōu)異等位基因聚合，并通過胚拯救和后代分離，成功獲得了無轉基因、聚合多個優(yōu)異等位基因的小麥新種質，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支撐。相關研究成果于4月1日在線發(fā)表于《分子植物（Molecular Plant ）》上。

 

　　小麥是世界上重要的糧食作物之一，其安全生產(chǎn)關系到我國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的發(fā)展，我國小麥品種改良取得了輝煌成績。但是，隨著人口增長、全球氣候變暖導致自然災害頻發(fā)、耕地逐年減少、化肥農(nóng)藥使用過度等導致生態(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，對多個基因控制的復雜農(nóng)藝性狀進行遺傳改良，耗時費力、周期長、效率低。目前，CRISPR/Cas9系統(tǒng)介導的基因編輯技術，已廣泛應用于農(nóng)作物功能基因組學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雜，遺傳轉化效率相對較低，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。以穗發(fā)芽抗性相關（TaQsd1）、氮吸收利用（TaARE1）、株型（TaNPT1、TaIPA1）、支鏈淀粉合成（TaSBEⅡa）和磷轉運（TaSPDT ）六個基因作為靶基因，分別構建同時靶向2個、3個、4個和5個基因組合的多基因編輯載體。該載體由水稻組成型啟動子Actin驅動表達多個串聯(lián)排列的tRNA-gRNAs單元，并且添加了具有增強轉錄本穩(wěn)定性的PolyA結構和Nos終止子終止表達。將上述多基因編輯載體通過轉化鄭麥7698，獲得了2、3、4、5個基因在15個基因組位點編輯的植株，最高編輯效率可達50%。進一步通過胚拯救和后代分離，在T1代中成功獲得了無轉基因、多個優(yōu)異等位基因聚合的小麥新種質。小麥高效、通用多基因編輯體系的建立，將有助于促進小麥分子生物學研究和復雜性狀形成的網(wǎng)絡解析，定向創(chuàng)制小麥新種質，加速育種進程。

 

　　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。該研究得到國家重點研究發(fā)展計劃、農(nóng)科英才特支計劃、中央公益性科研機構基金和創(chuàng)新工程等項目資助。

 

　　https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.03.024