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IMGE:作物育种的“马良神笔”

来源:www.timetimetime.net 时间:2020-01-14 编辑:情感

作者:王芳来源:中国科学日报,发布时间:2019/3/26 10:25336010

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IMGE:“马良申碧”作物育种

左为IMGE技术路线示意图,右为利用IMGE技术成功编辑玉米B73自交系ZmLG1基因。高产优质新品种是农业的基石,但传统的作物育种方法周期长、效率低。近年来,随着分子生物学、基因组学和农业生物技术的发展,新的作物育种技术不断涌现,加快了作物育种进程,在一定程度上提高了育种效率,但在实际应用中仍存在许多不足。

最近,中国农业科学院生物技术研究所和华南农业大学的研究人员开发了一种单倍体诱导介导基因组编辑(IMGE)技术,可以准确地加快作物育种进程。相关的研究结果在网上公布于《分子植物》。

生产的迫切需求

近几十年来,由于作物品种的改进和生产方法的改变(如密植、杀虫剂和化肥的使用等)。),作物产量,特别是单位产量的稳步增长,对世界人口的增长起到了关键的支撑作用。作物品种的改良主要得益于育种带来的遗传收益。

然而,传统育种中优良性状的定向改良需要材料(供体亲本)与优良性状或基因和材料(受体亲本)的杂交改良,经过6-8代回交和繁琐的背景选择后,具有受体亲本等其它性状和来自供体亲本的优良性状或优良基因型的个体最终从后代中选出用于下一次育种。

“这一过程耗时、费力且昂贵,而且由于表型观察准确性和遗传阻碍效应的影响,获得的结果并不总是符合预期目标。”该通讯的第一作者和合着者,中国农业科学院生物技术研究所助理研究员王宝宝说。

因此,生产中迫切需要一种能够快速准确地改善作物性状以加快作物育种进程的育种方法。

近年来,双单倍体技术、转基因技术、分子标记辅助育种技术、基因组编辑技术、智能不育技术(第三代杂交水稻育种技术)、杂种优势固定技术(无融合生殖技术)等一批新的作物育种技术相继出现。双单倍体技术已广泛应用于玉米、小麦、大麦、烟草等作物育种。

双单倍体技术可以通过与单倍体诱导系杂交快速产生不受遗传背景限制的单倍体,然后通过人工或天然染色体加倍成双单倍体,实现作物优良基因型在短时间内(两代)的固定,从而产生纯合近交系用于杂交育种或品种育种。

以CRISPR/Cas9为代表的基因组编辑技术是一种高效、准确的体内改变基因的方法,可用于作物高产、抗逆性、高品质等性状的精确改良,为未来作物育种提供了新的创新工具。基因组编辑技术的应用涉及农作物的遗传转化,但目前大多数农作物的遗传转化效率很低,特别是优良的商业品种华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室记者王海洋表示,首先,由于育种材料遗传转化能力的限制,其应用需要长回交和大量的群体选择,这既费时又费力。其次,去除CRISPR载体的过程增加了育种的复杂性和成本。

一个巧妙的育种策略

IMGE育种策略这一最新成果报道巧妙地将单倍体诱导与CRISPR/Cas9基因编辑技术相结合,实现了两者的互补优势,并成功创建了经过两代内基因编辑改良的双单倍体纯系。

王宝宝说,“这种方法可以打破基因编辑和育种对物质遗传转化能力的依赖,创造出一个没有CRISPR载体的纯系。”

技术路线是通过农杆菌介导的转化方法将用于改善目标农艺性状的CRISPR/Cas9载体导入可转化玉米品种(如ZC01和B104),然后通过杂交、巴斯塔除草剂抗性筛选(确保CRISR/cas9载体的成功导入)和特异性分子标记检测(确保单倍体诱导基因MATL)将CRISR/cas9载体导入单倍体诱导系,建立携带CRISR/Cas9载体的单倍体诱导系。

之后,以携带CRISPR/Cas9载体的单倍体诱导系为父本,与任何商品自交系(如B73)杂交,根据F1种子胚的颜色选择候选单倍体种子(单倍体种子胚无色,正常受精获得的二倍体种子为紫色)。

单倍体植株是根据候选单倍体的田间表现确定的(与正常二倍体野生型相比,单倍体植株往往个体较小,发育较慢)。然后,根据CRISPR/Cas9靶位的序列分析和靶位性状的变化筛选出靶位的编辑单倍体。

王海洋说,这些单倍体可以通过人工或天然染色体(具有改良的目标性状)加倍成纯合二倍体植物,从而在两代内创造出性状改良的商品玉米品种,大大加快了作物育种的进程。

利用这一技术,研究人员成功地编辑了玉米骨干自交系B73中ZmLG1(控制叶片角度)和UB2(控制雄穗分枝数)基因,获得了在这两个位点成功转化的单倍体,并通过加倍天然染色体获得了成功编辑的双单倍体。

通过分子标记检测和测序分析,证实CRISPR/Cas9介导的基因编辑确实发生在B73背景中。进一步巴斯塔抗性筛选和特异性分子标记检测证实,编辑的单倍体不包含CRISPR载体。

描述育种的新篇章

“使用这种技术可以在任何商业品种中实现靶基因的高效、准确的改良,而不受基因型的限制,从而摆脱了遗传背景对现有转基因技术和基因编辑系统的限制。”王海洋说。

同时,IMGE的成功也为分析玉米单倍体的形成机制提供了有力的证据,支持玉米单倍体是受精后父本基因组的丢失,而不是由未受精卵细胞的孤雌生殖形成。

有趣的是,这项技术与先正达的科研人员最近提出的高编辑育种策略不谋而合。这两份完全独立的研究报告为该策略的可靠性提供了进一步的证据。

王宝宝说:“近年来,基于含油量和荧光蛋白标记技术的新的工程单倍体诱导系统已经成功开发出来。目前,基因编辑技术的发展使得多个基因可以同时编辑,实现多个性状的同时改良。这些技术的结合将大大提高基因工程育种的效率和便利性,使其在工程育种中发挥重要作用。”

另一方面,单碱基编辑、基因替换和基因分型等新基因编辑技术的发展将为整合遗传工程技术的应用提供更大的灵活性、移动性和可控性。除了玉米和水稻,在小麦、大麦、烟草和其他植物中也建立了成功的单倍体诱导系统。

“可以预期,IMGE及其组合将极大地促进新一代育种技术的发展和整合,大大加快现代作物育种的进程和效率,使‘马良神笔’等技术在作物育种的征途上描绘出一幅壮丽的画面。”王海洋说。

鉴于这项技术潜在的重大应用前景,《分子植物》编辑部同期发表了一篇评论文章,认为IMGE(或HI-edit)技术和以前报道的利用基因组编辑获得无融合生殖菌株的技术,从而实现杂种优势的快速固定,有望成为一批新一代作物育种技术,并有望在未来的作物育种中得到广泛应用。

就在IMGE技术相关论文发表四天后,许多作物育种公司表现出极大的关注,并就技术细节咨询了论文作者。王海洋说,这项技术的主要优点之一是简单易操作。只要携带CRISPR载体的单倍体诱导系构建成功,育种专家就擅长杂交、单倍体选择等工作。育种者没有门槛。

相关论文信息:DOI 33610.1016/J . MORP . 2019 . 03 . 006

《中国科学报》(2019-03-26第五版农业科技)

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