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IMGE:作物育種的“馬良神筆”

2019-03-27 09:16:51來源:中國科學報作者:王方編輯:bianji2
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  高産優質新品種是農業的基石,但傳統作物育種方法周期長、效率低。近年來,隨著分子生物學、基因組學和農業生物技術的發展,新的作物育種技術不斷湧現,一定程度上加快了作物育種進程、提高育種效率,但在實際應用中仍存在較多不足。

  日前,中國農業科學院生物技術研究所和華南農業大學的科研人員研發出一種基于單倍體誘導介導的基因組編輯技術(Haploid-Inducer Mediated Genome Editing,IMGE),可精准加快作物育種進程。相關研究成果在線發表于《分子植物》。
  來自生産的迫切需求
  近幾十年來,得益于作物品種改良和生産方式改變(如密植、農藥、化肥的使用等),作物産量特別是單産的穩步提高,爲世界人口增長發揮了關鍵的支撐作用。而作物品種改良主要得益于育種帶來的遺傳增益。
  然而傳統育種中優良性狀的針對性改良,需要將帶有該優良性狀或基因的材料(供體親本)與所需改良的材料(受體親本)雜交,再經過6~8代的回交和繁瑣的背景選擇,最終從後代中選擇出其他性狀像受體親本、同時攜帶來自于供體親本優良性狀或優異基因型的個體,用于下一步育種。
  “這個過程費時費力、成本高昂,而且由于受制于表型觀察准確性和遺傳累贅效應等影響,所得的結果並不總能與預期目標相符。”第一作者和共同通訊作者、中國農科院生物技術研究所助理研究員王寶寶說。
  因此,生産上迫切需要一種能夠快速、精准改良作物性狀的育種方法,以加快作物育種的進程。
  近年來,一批新作物育種技術如雙單倍體技術、轉基因技術、分子標記輔助育種技術、基因組編輯技術、智能不育技術(第三代雜交水稻育種技術)、雜種優勢固定技術(無融合生殖技術)等紛紛湧現。其中雙單倍體技術在玉米、小麥、大麥、煙草等作物育種中已得到廣泛應用。
  雙單倍體技術通過與單倍體誘導系雜交,可快速創制不受遺傳背景限制的單倍體,再通過人工或自然染色體加倍成爲雙單倍體,實現在短時間內(兩代)作物優良基因型的固定,從而創制純合的自交系以用于雜交育種或品種選育。
  而以CRISPR/Cas9爲代表的基因組編輯技術是一種在體內高效精准改變DNA的方法,可用于農作物高産、抗逆、優質等性狀精准改良,爲將來農作物選育提供一種新的革新性工具。
  “基因組編輯技術的應用涉及作物遺傳轉化,而目前大多數作物特別是優良的商業化品種的遺傳轉化效率很低。”通訊作者、華南農業大學亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室教授王海洋表示,一是受到育種材料遺傳轉化能力限制,其應用需經過漫長的回交轉育和大量的群體選擇,費時費力;二是去除CRISPR載體的過程增加了育種複雜性和成本。
  一種巧妙的育種策略
  在這份最新成果中報道的IMGE育種策略,巧妙地將單倍體誘導與CRISPR/Cas9基因編輯技術結合起來,實現二者優勢互補,成功在兩代內創造出經基因編輯改良的雙單倍體(DH)純系。
  王寶寶介紹,“該方法可以打破之前基因編輯育種對材料遺傳轉化能力的依賴,並且創造出不含CRISPR載體的純系。”
  其技術路線是先將一個改良目標農藝性狀的CRISPR/Cas9載體通過農杆菌介導的轉化方法導入到一個可轉化的玉米品種中(如ZC01、B104),然後通過雜交、Basta除草劑抗性篩(保證CRISPR/Cas9載體的成功導入)和特異性分子標記檢測(保證含有單倍體誘導基因MATL)將該CRISPR/Cas9載體導入到單倍體誘導系中,創制出攜帶有CRISPR/Cas9載體的單倍體誘導系。
  之後用攜帶有CRISPR/Cas9載體的單倍體誘導系做父本與任何商業化自交系(如B73)雜交,根據F1種子胚的顔色挑選出候選單倍體種子(單倍體種子胚是無色的,而正常受精得到的二倍體種子爲紫色)。
  再根據候選單倍體的田間表現確定單倍體植株(單倍體植株與正常二倍體野生型相比,往往個體較小,發育較慢)。然後根據目標性狀的變化和CRISPR/Cas9的靶位點的測序分析篩選出靶位點被編輯的單倍體。
  王海洋表示,這些單倍體可以通過人工或自然染色體加倍成爲純合的經過基因編輯(目標性狀得到改良)的二倍體植株,從而實現在兩代內創制性狀改良的商業化玉米品種雙單倍體,大大加速作物育種進程。
  利用該技術,研究人員對玉米骨幹自交系B73中的ZmLG1(控制葉夾角)和UB2(控制雄穗分枝數)兩個基因進行成功編輯,獲得這兩個位點改造成功的單倍體,並通過自然染色體加倍,獲得編輯成功的雙單倍體。
  繼而通過分子標記檢測和測序分析,確認CRISPR/Cas9介導的基因編輯的確發生在B73背景中。進一步的Basta抗性篩選和特異分子標記檢測確認編輯的單倍體不含有CRISPR載體。
  抒寫育種新篇章
  “利用這項技術可實現任何商業化品種中目的基因的高效精准改良,而完全不受基因型的限制,從而擺脫現有轉基因技術和基因編輯體系受遺傳背景的限制。”王海洋說道。
  同時,IMGE的成功也爲玉米單倍體形成機制的解析提供了強有力的證據,支持玉米單倍體是受精後父本的基因組喪失,而不是由未受精的卵細胞通過孤雌生殖形成的。
  有意思的是,該技術與最近先正達公司科研人員提出的HI-Edit育種策略不謀而合。這兩份完全獨立的研究報道爲該策略的可靠性提供進一步的佐證。
  王寶寶表示:“近年來,新的基于油分含量和熒光蛋白標記等技術的工程化單倍體誘導系統已經被成功開發,而且目前基因編輯技術的發展已允許多個基因同時編輯,實現多性狀同時改良。這些技術的結合將大大提升IMGE的效率和便捷性,使其在工程化育種方面大顯身手。”
  另一方面,單堿基編輯、基因替換、基因敲入技術等新型基因編輯技術的發展,將爲IMGE技術的應用提供更強的靈活性、機動性和可控性。此外,除玉米、水稻外,小麥、大麥、煙草等植物中都已有成功的單倍體誘導系統的建立。
  “可以預期,IMGE與它們的結合將大力推動新一代育種技術的發展和整合,大大加快現代化作物育種的進程和效率,使這些技術像‘馬良神筆’一樣在作物育種的征程上描繪出壯麗的華章。”王海洋表示。
  鑒于該技術潛在的重大應用前景,《分子植物》編輯部在同期發表評述性文章,認爲IMGE(或HI-edit)技術與之前報道的利用基因組編輯技術獲得無融合生殖株系,從而實現雜種優勢快速固定的技術有望成爲一批新的下一代作物育種技術,預期在今後作物育種中得到廣泛應用。
  而就在IMGE技術相關論文剛剛發表4天左右,即有許多作物育種公司表現出極大的關注,紛紛跟該文作者咨詢技術細節。王海洋表示,該技術的一大優勢就是簡單易行、容易操作,接地氣,只要攜帶CRISPR載體的單倍體誘導系構建成功,之後便是育種家擅長的雜交、單倍體挑選等工作,對育種家來說沒有門檻。
  相關論文信息:DOI:10.1016/j.molp.2019.03.006
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