近日,河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院/神農(nóng)種業(yè)實驗室張新友院士團隊突破花生遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)瓶頸,利用CRISPR/Cas9單堿基編輯技術(shù)率先實現(xiàn)了對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),這也是國際上首次關(guān)于利用該技術(shù)創(chuàng)制花生新種質(zhì)的報道,為花生種質(zhì)資源精準(zhǔn)創(chuàng)新提供了新的途徑。該項研究成果以“Creation of herbicide-resistance in allotetraploid peanut using CRISPR/Cas9-meditated cytosine base-editing”為題在國際知名學(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,花生是我國主要油料和經(jīng)濟作物,產(chǎn)量居全球首位,是國產(chǎn)植物油的重要來源和產(chǎn)區(qū)農(nóng)民增收的重要渠道,對保障國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)往往會對花生生長發(fā)育產(chǎn)生不良影響,因此培育抗除草劑花生新品種對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類除草劑會降低ALS活性,導(dǎo)致上述氨基酸合成受阻,植物生長受到抑制引起死亡,但是ALS某些特定位點的氨基酸殘基改變引起植物對ALS類除草劑敏感度下降,從而產(chǎn)生對ALS類除草劑的抗性。異源四倍體花生中共有4個拷貝的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AhALS2基因的Pro197進(jìn)行精準(zhǔn)編輯,獲得了19個突變株系,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。該研究不僅首次對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)實驗室完成,得到了國家重點研發(fā)計劃(2022YFD1200400)、河南省重大科技專項(201300111000, 221100110300)、國家花生產(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)等項目的資助。