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作物育种的“马良神笔”——王海洋团队开发一种精准加快作物育种进程的下一代作物育种技术IMGE

2019-03-27
作者:   来自: BioArt植物

  近年来,随着分子生物学、基因组学和农业生物技术的发展,涌现出了一批新的作物育种技术,如双单倍体技术、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。其中双单倍体技术在玉米、小麦、大麦、烟草等作物的育种中已得到广泛应用。通过与单倍体诱导系(haploid inducer)杂交,可快速创制不受遗传背景限制的单倍体,再通过人工或自然染色体加倍成为双单倍体(doubled haploid), 实现在短时间内(两代)作物优良基因型的固定,从而创制纯合的自交系以用于杂交育种或品种选育。以CRISPR/Cas9为代表的基因组编辑技术是最近发展起来的一种在体内高效精准改变DNA的方法,可用于农作物高产、抗逆、优质等性状的精准改良,为将来农作物的选育提供了一种新的革新性的工具。然而,基因组编辑技术的应用涉及作物的遗传转化,而目前大多数作物,特别是优良的商业化品种的遗传转化效率很低。因此通常采用的策略是先在一个可转化的基因型中用CRISPR/Cas9技术编辑目标基因(赋予一方面或几方面性状的改良),然后将编辑后的目标基因通过杂交和多世代回交的方法导入到商业化品种中,整个过程常常需要3-5年的时间,周期漫长,大大限制了该技术在商业化育种中的应用效率。同时,为了实现编辑后等位基因的稳定遗传和保证所改良育种材料中不包含外源转基因成分,基因编辑育种最终还需要将CRISPR载体去除,不可避免的额外增加育种的复杂性和成本。

  近日,来自中国农业科学院生物技术研究所和华南农业大学的科研人员报道了一种称为IMGE(Haploid Inducer-mediated Genome Editing)的育种策略,巧妙地将单倍体诱导与CRISPR/Cas9基因编辑技术结合起来,成功地在两代内创造出了经基因编辑改良的双单倍体(DH)纯系。该方法可以打破之前基因编辑育种对材料遗传转化能力的依赖,并且创造出不含转基因(CRISPR载体)的纯系。相关研究成果以 Development of a Haploid-Inducer Mediated Genome Editing (IMGE) System for Accelerating Maize Breeding 为题发表在国际知名期刊 Molecular Plant 上。

  该方法的技术路线是先将一个改良目标农艺性状的CRISPR/Cas9载体通过农杆菌介导的转化方法导入到一个可转化的玉米品种中(如ZC01, B104), 然后通过杂交、Basta除草剂抗性筛(保证CRISPR/Cas9载体的成功导入)和特异性分子标记检测(保证含有单倍体诱导基因MATL)将该CRISPR/Cas9载体导入到单倍体诱导系中,创制出携带有CRISPR/Cas9载体的单倍体诱导系。之后用携带有CRISPR/Cas9载体的单倍体诱导系做父本与任何商业化自交系(如B73)杂交,根据F1种子胚的颜色挑选出候选单倍体种子(单倍体种子胚是无色的,而正常受精得到的二倍体种子为紫色)。再根据候选单倍体的田间表现确定单倍体植株(单倍体植株与正常二倍体野生型相比,往往个体较小,发育较慢)。然后根据目标性状的变化(如叶夹角的变化)和CRISPR/Cas9的靶位点的测序分析筛选出靶位点被编辑的单倍体。这些单倍体可以通过人工或自然染色体加倍成为纯合的经过基因编辑(目标性状得到改良)的二倍体植株,从而实现在两代内创制性状改良的商业化玉米品种双单倍体(edited doubled Haploid, edited-DH line), 从而可以大大加速作物育种的进程 (流程见下图)。

 

  技术路线图值得指出的是,该技术与最近先正达公司科研人员提出了HI-Edit育种策略不谋而合。 这两份完全独立的研究报道为该策略的可靠性提供了进一步的佐证。有趣的是,先正达研究人员还发现HI-Edit技术可以和CENH3系统结合用于双子叶植物的改良。而且利用携带有Cas9-TaGT1s 载体的玉米转基因植株的花粉授予到被去雄的小麦品种AC Nanda或者胞质雄性不育系(CMS)植株的柱头上(远源杂交),通过胚拯救的方式成功获得经基因编辑改良的小麦单倍体植株。

  近年来,新的基于油分含量和荧光蛋白标记等技术的工程化单倍体诱导系统已经被成功开发,同时,目前基因编辑技术的发展已允许多个基因的同时编辑,实现多性状的同时改良。这些技术的结合将大大提升IMGE的效率和便捷性,使其在工程化育种方面大显身手。另一方面,单碱基编辑、基因替换、基因敲入技术等新型基因编辑技术的发展,将为IMGE技术的应用提供更强的灵活性、机动性和可控性。此外,除玉米、小麦外,水稻、大麦、烟草等植物中都已有成功的单倍体诱导系统的建立。可以预期IMGE与它们的结合将大力推动新一代育种技术的发展和整合,大大加快现代化作物育种的进程和效率,使这些技术像“马良神笔”一样在作物育种的征程上描绘出壮丽的华章。

  

 

  IMGE(HI-Edit)育种流程鉴于该技术潜在的重大应用前景,Molecular Plant 编辑部同期以 Next-Generation Crop Breeding Methods 为题发表了Editor’s Highlights 评述性文章,认为IMGE(或HI-edit)技术与之前报道的利用基因组编辑技术获得无融合生殖株系,从而实现杂种优势快速固定的技术有望成为一批新的下一代作物育种技术,预期在今后的作物育种中将得到广泛应用。

编辑:江华

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