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河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 神農(nóng)種業(yè)實(shí)驗(yàn)室利用單堿基編輯創(chuàng)制出抗除草劑花生新種質(zhì)

作者：分子育種研究院 日期：2023-07-07

近日，河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院/神農(nóng)種業(yè)實(shí)驗(yàn)室張新友院士團(tuán)隊(duì)突破花生遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)瓶頸，利用CRISPR/Cas9單堿基編輯技術(shù)率先實(shí)現(xiàn)了對(duì)花生基因的單堿基替換，創(chuàng)制出抗苯磺隆除草劑的花生新種質(zhì)，這也是國(guó)際上首次關(guān)于利用該技術(shù)創(chuàng)制花生新種質(zhì)的報(bào)道，為花生種質(zhì)資源精準(zhǔn)創(chuàng)新提供了新的途徑。該項(xiàng)研究成果以“Creation of herbicide-resistance in allotetraploid peanut using CRISPR/Cas9-meditated cytosine base-editing”為題在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Plant Biotechnology Journal（《植物生物技術(shù)》，中科院一區(qū)TOP期刊，影響因子13.8）上發(fā)表。
據(jù)論文通訊作者張新友院士介紹，花生是我國(guó)主要油料和經(jīng)濟(jì)作物，產(chǎn)量居全球首位，是國(guó)產(chǎn)植物油的重要來源和產(chǎn)區(qū)農(nóng)民增收的重要渠道，對(duì)保障國(guó)家食用油安全和促進(jìn)鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)振興發(fā)揮著重要作用?；ㄉ镩g雜草種類繁多，危害嚴(yán)重，雜草危害一般可造成花生減產(chǎn)5-20%，嚴(yán)重時(shí)達(dá)40-60%，必須使用除草劑予以控制，但是除草劑使用不當(dāng)往往會(huì)對(duì)花生生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不良影響，因此培育抗除草劑花生新品種對(duì)于有效控制花生田雜草、降低除草劑藥害、促進(jìn)花生規(guī)?；N植具有重要意義。自2016年科學(xué)家利用單堿基編輯技術(shù)在目標(biāo)基因靶標(biāo)位點(diǎn)的特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了C?G 到 T?A或A?T 到 G?C單堿基的精準(zhǔn)替換，該技術(shù)已被成功應(yīng)用于水稻、棉花和油菜等多種作物，受限于花生遺傳轉(zhuǎn)化效率低下、基因組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前未見花生在該方面的相關(guān)報(bào)道。
乙酰乳酸合成酶(ALS)是催化纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸生物合成起始步驟的關(guān)鍵酶，是目前世界上廣泛應(yīng)用的50多種商用除草劑的作用靶標(biāo)，噴施ALS類除草劑會(huì)降低ALS活性，導(dǎo)致上述氨基酸合成受阻，植物生長(zhǎng)受到抑制引起死亡，但是ALS某些特定位點(diǎn)的氨基酸殘基改變引起植物對(duì)ALS類除草劑敏感度下降，從而產(chǎn)生對(duì)ALS類除草劑的抗性。異源四倍體花生中共有4個(gè)拷貝的ALS基因，該研究選擇AhALS2為突變靶標(biāo)，構(gòu)建了適合雙子葉植物的胞嘧啶堿基編輯載體，利用CRISPR/Cas9單堿基編輯技術(shù)對(duì)AhALS2基因的Pro197進(jìn)行精準(zhǔn)編輯，獲得了19個(gè)突變株系，包括P197S、P197F和P197N三種突變類型，并可穩(wěn)定遺傳，單堿基編輯效率約為3.5%，未發(fā)現(xiàn)脫靶現(xiàn)象。在花生4-6葉期用田間推薦工作濃度的苯磺隆除草劑分別噴施野生型花生、基因編輯的T1和T2代花生，野生型花生于施藥后第8天出現(xiàn)藥害，15天后徹底死亡，而堿基編輯花生生長(zhǎng)不受影響，即使在濃度增加至30 mg ai/L(6倍田間推薦工作濃度)條件下仍能健康生長(zhǎng)。該研究不僅首次對(duì)單堿基編輯在花生中的應(yīng)用進(jìn)行了成功的嘗試，為花生功能基因研究提供了新方法，同時(shí)為培育抗除草劑花生品種創(chuàng)制了新種質(zhì)。
該研究在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院/神農(nóng)種業(yè)實(shí)驗(yàn)室完成，得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFD1200400）、河南省重大科技專項(xiàng)（201300111000, 221100110300）、國(guó)家花生產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-13）和河南省花生產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（S2012-5）等項(xiàng)目的資助。

(分子育種研究院供稿)


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