基因组编辑的三隐突变改变了小麦种子的休眠性状

来源：BioArt植物

来源 | 小麦研究联盟（wheatomics）

作者 | 台莉

普通小麦（Triticum aestivum L., 2n = 6x = 42, AABBDD）有三个密切相关的亚基因组，这些亚基因组源于三个同源小麦种。复杂的六倍体遗传系统以及庞大的基因组（16 Gbp）(IWGSC, 2018) 增加了对小麦中靶向基因分析的研究难度。并且，由隐性基因控制的性状由于其多个等位基因的存在变得格外难以观察。CRISPR/Cas9系统是近几年比较受欢迎的基因组编辑方法，能够在各种作物中可以对目标基因的序列进行定点敲除 [1]。

成熟期穗发芽（Pre-harvest Sprouting，简称为PHS）是目前一些特定谷类作物品种生产过程中面临的灾害之一，指的是作物成熟期收获前遇到阴雨或潮湿环境及适温天气时，籽粒在穗上萌动、发芽的现象（图1）[2, 3]。穗发芽会导致籽粒内部发生一系列的生理反应和化学变化，不仅对作物的品质和产量造成影响，同时也增加了作物的生产成本，对农业生产造成巨大的经济损失。种子休眠是与穗发芽密切相关的农艺性状，休眠时间长的种子具有较好的穗发芽抗性。在谷类作物相关的休眠基因中，大麦的Qsd1（quantitative trait locus on seed dormancy 1）对种子休眠的影响最大[4]。Qsd1基因编码丙氨酸氨基转移酶，当该基因功能缺失时，种子会进入深度休眠状态。

图1 小麦穗发芽

今年，日本冈山大学资源植物科学研究所的Kazuhiro Sato课题组在 Cell Reports上发表了题为“Genome-Edited Triple-Recessive Mutation Alters Seed Dormancy in Wheat”的论文，该研究通过农杆菌介导的CRISPR/Cas9基因敲除系统成功创制了Qsd1（控制小麦休眠的隐性基因）三重敲除突变体，为小麦中隐性基因控制的性状的研究提供了一个技术模型。

该研究选择了Fielder（目前转化率最高的小麦品种），通过农杆菌转染的办法进行了转基因植株的创制。从342个外植体中成功获得了8个独立的转基因株系（T0代），其中只有3个株系在目标位点发生了突变，它们的基因型分别是：aaBbdd (#1), AABbDd (#2), and AABBDd (#7)（图2）。          

图2 使用CRISPR / Cas9系统通过农杆菌介导的转化靶向敲除TaQsd1

随后，作者将Fielder (AABBDD) 与aaBbdd (#1)杂交产生了基因型为AaBbDd（F1）的个体，再通过F1代的自交最终获得了基因型为aabbdd（F2）的三重突变的纯合株系（图3 A）。并且，Fumitaka Abe等人通过胚胎培育的方法大大缩短了小麦的生长周期（图3 B）。

                图3 TaQsd1_t1纯合编辑株系的加速创制过程

小麦作为一个六倍体物种，其遗传分析相当复杂和困难，该研究通过农杆菌介导的CRISPR / Cas9基因编辑系统创制了六倍体小麦的三隐形突变体，为多倍体植物的遗传学研究，尤其是隐性基因控制的性状的研究提供了借鉴。

参考文献：

1.Zhang, S., et al., Targeted mutagenesis using the Agrobacterium tumefaciens-mediated CRISPR-Cas9 system in common wheat. BMC Plant Biol, 2018. 18(1): p. 302.

2.Miao, C., et al., The grain yield modulator miR156 regulates seed dormancy through the gibberellin pathway in rice. Nat Commun, 2019. 10(1): p. 3822.

3. Liu, C., et al., Reprogramming of Seed Metabolism Facilitates Pre-harvest Sprouting Resistance of Wheat. Sci Rep, 2016. 6: p. 20593.

4.Sato, K., et al., Alanine aminotransferase controls seed dormancy in barley. Nat Commun, 2016. 7: p. 11625.

作者简介：台莉，西北农林科技大学生命科学学院在读博士，是从陈坤明教授，研究方向为小麦抗穗发芽。全体小编在此感谢作者抽出时间为该文作出解读！