![]()
提示：欢迎点击上方「植物生物学」↑关注我们！
撰文 | 生物猫
2021年2月22日，Nature Plants在线发表了中国农业大学田丰课题组题为 “Towards knowledge-driven breeding” 的评述论文，点评了当天David Jackson研究组在Nature Plants发表的题为 “Enhancing grain-yield-related traits by CRISPR–Cas9 promoter editing of maize CLE genes” 的论文，该论文通过对玉米CLE基因启动子的顺式调控元件进行基因编辑，调控了基因表达，提高了玉米产量（详细解读请查看这里）。田丰教授在评述中重点突出了精准基因组编辑在未来农业中的重要作用。借此机会，让我们延伸解读、共同回顾最近精准基因组编辑技术在作物性状改良上的最新进展！![]()
随着基因组编辑技术的革命性进步和我们对作物生物学特性的日趋了解，通过精准基因组编辑来调控作物性状不再是纸上谈兵。通过多重基因组编辑，科学家最近在作物改良中取得了可喜的成就，为日后的研究提供了典范。作者将精准编辑改良作物性状的策略分类为以下3个模式：2、建立人工单性繁殖技术，通过克隆来大量繁殖含有优良性状的F1代作物。下面让我们根据作者的分类，共同回顾人类近期利用精准基因组编辑技术在作物性状改良上的最新进展。
2017年，冷泉港实验室Zachary B. Lippman课题组在Cell上发表研究论文【1】，该研究通过同时设计针对三个基因启动子区域多个位点的gRNA，快速获得了大量顺式转录元件突变的植株。由于顺式元件的变化，这三个调控果实大小，花序结构和植株生长的基因的表达量在不同突变体中含量不同。最后，作者通过杂交，快速地获得了性状连序变化的纯合子植株（图1）。![]()
图1. 策略模式图
建立人工单性繁殖技术，通过克隆来大量繁殖含有优良性状的F1代作物。
2019年，加利福尼亚大学Venkatesan Sundaresan课题组在Nature上发表研究论文【2】。杂交水稻可以同时拥有父本和母本的优良性状，在许多方面具有优势。但是其优良性状由于性状分离而不能遗传给后代。该研究发现BBM1在卵细胞中异位表达可以实现水稻的孤雌生殖（图2），而结合基因组编辑技术，用有丝分裂替代减数分裂，则完全可以实现水稻的无性繁殖。![]()
图2. 水稻胚胎发生过程中BBM1功能的示意图
同年，中国农科院王克剑课题组在Nature Biotechnology上发表研究论文【3】，该研究使用籼粳杂交稻品种春优84选为水稻无融合生殖研究的模式品种，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除了其中4个水稻生殖相关基因，使杂交稻产生了无融合生殖性状，并产生了与杂交稻一样的克隆种子（图3）。![]()
图3. 克隆稻的原理示意图
2018年，中科院许操和高彩霞课题组在Nature Biotechnology上发表研究论文【4】，该研究使用选用耐盐和抗疮痂病的野生醋栗番茄(Solanum pimpinellifolium) 为材料，运用基因编辑技术精准靶向多个产量和品质性状调控基因的编码区及启动子区域，在保留耐盐和抗疮痂病的前提下，提升了野生番茄的产量和品质从而加速了野生植物的人工驯化（图4）。![]()
同年，巴西圣保罗大学Lázaro Eustáquio Pereira Peres课题组在Nature Biotechnology上发表研究论文【5】，用相同的策略同样将醋栗番茄进行了从头驯化（图5）。![]()
同年，冷泉港实验室Zachary B.Lippman课题组在Nature Plants上发表研究论文【6】，用基因组编辑的方法，将番茄进行了再驯化，提高了番茄产量（图6）。![]()
2021年，冷泉港实验室David Jackson课题组在Nature Plants发表了题为 “Enhancing grain-yield-related traits by CRISPR–Cas9 promoter editing of maize CLE genes” 的研究论文【7】，该论文通过CRISPR–Cas9基因编辑手段微调CLAVATA-WUSCHEL（CLV-WUS）信号通路中的基因，增加分生组织的大小从而提升了玉米产量（图7），完成了玉米的再驯化。![]()
图7. 玉米再驯化示意图
我们正处于一个前所未有的时代，基因组编辑为农作物改良提供了巨大的空间。在过去的演变中，自然选择和人类驯化是分开进行的，但是以后，两者将“合二为一”，共同在智慧农业中大放异彩。知识技术导向的精准育种中，作物特性可以被精确修改。新的特性，甚至是新的农作物将会产生并用以满足人类所需。1. Rodríguez-Leal, D., Lemmon, Z. H., Man, J., Bartlett, M. E. & Lippman, Z. B. Cell 171, 470–480 (2017).
2. Khanday, I., Skinner, D., Yang, B., Mercier, R. & Sundaresan, V. Nature 565, 91–95 (2019).
3. Wang, C. et al. Nat. Biotechnol. 37, 283–286 (2019).
4. Li, T. et al. Nat. Biotechnol. 36, 1160–1163 (2018).
5. Zsögön, A. et al. Nat. Biotechnol. 36, 1211–1216 (2018).
6. Lemmon, Z. H. et al. Nat. Plants 4, 766–770 (2018).
7. Liu, L. et al. Nat. Plants (2021).
https://www.nature.com/articles/s41477-021-00864-7本推文未经专家审阅，限于作者水平，难免存在错漏，仅供参考！如有疑问，请阅读原文献！![]()