利用基因編輯對作物進(jìn)行精準(zhǔn)定向進(jìn)化

（2021.3.7 植物生物技術(shù)Pbj）

人類人口增長增加了對糧食作物、動物飼料、生物燃料和生物材料的需求，同時氣候變化正在影響環(huán)境增長條件。迫切需要開發(fā)既能承受不利生長條件又能減少投入的作物品種。植物育種對全球糧食安全至關(guān)重要，雖然它受益于現(xiàn)代技術(shù)，但它仍然受到遺傳多樣性、連鎖力以及將多種有利的等位基因組合成復(fù)雜性狀的有效方法的限制。CRISPR/Cas技術(shù)已經(jīng)改變了跨生物系統(tǒng)的基因組編輯，并有望以其高精度、易設(shè)計、復(fù)用能力和低成本改變農(nóng)業(yè)。作者討論了將基于CRISPR/Cas的基因編輯整合到作物育種中，以促進(jìn)馴化和改良適合各種應(yīng)用和生長環(huán)境的自交系作物品種。使用基于CRISPR/Cas的基因編輯來修復(fù)理想的等位基因變體，產(chǎn)生新的等位基因，打破有害的遺傳聯(lián)系，并將有利的基因座導(dǎo)入優(yōu)良品系。

近日，加拿大加拿大國家水產(chǎn)和作物資源開發(fā)中心在植物學(xué)雜志Plant Biotechnology Journal上在線發(fā)表了題為“Advanced domestication： harnessing the precision of gene editing in crop breeding”的綜述，作者就基于CRISPR/Cas的基因編輯來修復(fù)理想的等位基因變體等進(jìn)行了評述。

基于CRISPR/Cas的基因編輯可以實現(xiàn)有針對性的序列修飾。自從CRISPR/Cas技術(shù)在細(xì)菌中被發(fā)現(xiàn)并被應(yīng)用于真核基因編輯工具以來，它已經(jīng)被用于多種基因組編輯功能。與其他基因編輯工具（例如TALENS或ZFN）相比，這項技術(shù)的成功與它的高精度、易設(shè)計性和低成本有關(guān)。并且在特異性、精確性和脫靶效果、編輯能力以及在靶生物中的易用性方面都有了改進(jìn)。特別是新的SpCas9變體、Cas9同源基因和CRISPR相關(guān)酶的開發(fā)。

CRISPR/Cas的基因編輯工具包已經(jīng)分布在世界上許多主要糧食作物中，包括玉米、小麥和水稻。此外，該基因編輯工具還應(yīng)用于多種水果作物，如番茄、西瓜、香蕉、葡萄和黃瓜。一般來說，農(nóng)桿菌介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移被廣泛用于轉(zhuǎn)化全能細(xì)胞;然而，也可以使用基因敲除基因轉(zhuǎn)移、原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化和小孢子轉(zhuǎn)化。因為Cas9/gRNA活性一旦產(chǎn)生編輯，基因組編輯就不再需要用體外Cas9核糖核蛋白復(fù)合物制劑（通過微量注射、粒子轟擊等方式遞送）和使用病毒遞送載體。組織細(xì)胞培養(yǎng)和再生通常需要生成一個完整的植株。根據(jù)物種或物種內(nèi)的品種/基因型，再生通常被認(rèn)為是最大的瓶頸，盡管CRISPR已經(jīng)實現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用作物種類的多樣性、廣泛的實施和使用仍然在很大程度上受到與CRISPR技術(shù)的轉(zhuǎn)化、再生和耗時等因素的制約。

馴化和植物育種產(chǎn)生了適合當(dāng)?shù)厣L條件的高產(chǎn)作物品種。然而，不斷增長的人口面臨著一系列農(nóng)業(yè)挑戰(zhàn)，包括氣候變化、非生物和生物壓力源的變化、耕地的流失，以及對可持續(xù)和精確農(nóng)業(yè)做法的需求。許多作物性狀已通過馴化固定下來，在這篇綜述中，作者討論了其他重要性狀的穩(wěn)定遺傳。基于CRISPR/Cas的基因編輯提供了方法，通過基因編輯，可以創(chuàng)建自然發(fā)生的等位基因變體，而不受傳統(tǒng)導(dǎo)入育種的限制。此外，還創(chuàng)造新的理想的遺傳變異和抵消受損的等位基因進(jìn)行選擇性育種。通過CRISPR/Cas指導(dǎo)減數(shù)分裂重組，還可以操縱遺傳等位基因，產(chǎn)生具有更理想等位基因組合的植物。然而，圍繞基因編輯植物品系的調(diào)控框架將影響這項技術(shù)的實現(xiàn)方式和地點?；蚓庉嬏峁┝撕芎玫臋C(jī)會，可以融合功能基因特性與應(yīng)用植物育種。