在戰(zhàn)爭(zhēng)、疫情等不可抗力因素之外,全球城市化率和人口增長(zhǎng)的提高、糧食生產(chǎn)與消費(fèi)比例的大幅下降、全球氣候變化可能引起的非生物脅迫、植物全球流行病的潛在威脅等因素也在影響著農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。一萬(wàn)年來(lái),科學(xué)家和育種學(xué)家們一直致力于開發(fā)和改良農(nóng)作物。目前,用100年前相同數(shù)量的土地可以供養(yǎng)之前10倍多的人口。育種對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的定向進(jìn)化,以及確保糧食供應(yīng)和安全方面都發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。
農(nóng)作物育種的發(fā)展
早期作物馴化基于表型篩選,分子機(jī)理未明。19世紀(jì)孟德爾定律揭示基因控制性狀,推動(dòng)雜交育種興起,結(jié)合優(yōu)良性狀。隨后,雜交、誘變、轉(zhuǎn)基因技術(shù)引領(lǐng)現(xiàn)代定向育種。分子生物學(xué)與測(cè)序技術(shù)革新,引領(lǐng)作物育種進(jìn)入分子時(shí)代,NGS技術(shù)積累大數(shù)據(jù),促進(jìn)基因功能研究。高密度分子標(biāo)記助力農(nóng)藝性狀關(guān)聯(lián)分析,指導(dǎo)分子育種。多組學(xué)技術(shù)深化作物發(fā)育理解。CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)突破,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)基因調(diào)控,提升作物產(chǎn)量、質(zhì)量及抗逆性,且操作簡(jiǎn)便高效,開啟精準(zhǔn)分子育種新紀(jì)元。
Int J Mol Sci. 2020 Apr; 21(7): 2590
CRISPR/Cas基因編輯
與農(nóng)作物育種
CRISPR/Cas基因編輯具有許多潛在的應(yīng)用,如基因敲除、敲入、基因突變、堿基編輯以及CRISPR/Cas介導(dǎo)的基因調(diào)控和表觀基因組編輯。
CRISPR/CAS基因組編輯在基因功能研究中的應(yīng)用【1】
基因敲除是CRISPR/Cas基因編輯系統(tǒng)的主要應(yīng)用之一,已廣泛用于多種植物物種中單個(gè)基因的敲除。其優(yōu)勢(shì)在于基因編輯的特異性,快速而精確地沉默單個(gè)基因,而沒有其他副作用。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于研究基因功能或消除由特定基因控制的一些不良性狀非常有用。
基因敲入或替換利用CRISPR/Cas9技術(shù)切割DNA后,通過(guò)同源重組將外源基因定點(diǎn)插入基因組。盡管長(zhǎng)序列插入在植物中仍具挑戰(zhàn),但研究者正探索提高效率的方法。哈佛大學(xué)的prime編輯技術(shù)(2019年)利用nCas9與逆轉(zhuǎn)錄酶融合,結(jié)合pegRNA,實(shí)現(xiàn)基因修復(fù)與替換,已成功應(yīng)用于水稻、小麥等多種農(nóng)作物。同時(shí),CRISPR/Cas堿基編輯技術(shù)也迅速發(fā)展,通過(guò)nCas9或dCas9在gRNA的幫助下結(jié)合特定DNA序列,融合堿基轉(zhuǎn)換酶(如胞苷脫氨酶(CD)將C轉(zhuǎn)T,腺嘌呤脫氨酶(AD)將A轉(zhuǎn)G)以修復(fù)點(diǎn)突變,特別是CD介導(dǎo)的編輯在小麥、玉米等作物中研究深入。
CRISPR/Cas基因編輯
在農(nóng)作物改良中的應(yīng)用
CRISPR/Cas基因編輯已成為成熟的尖端生物技術(shù)改良工具,應(yīng)用于作物的各種性狀改良,包括病原體抗性、非生物耐受性、植物發(fā)育和形態(tài)、次級(jí)代謝等。同時(shí),CRISPR/Cas基因編輯還被用于研究農(nóng)作物馴化,賦予特定農(nóng)作物的某些獨(dú)特性狀。
CRISPR/CAS基因組編輯在作物改良中的應(yīng)用【1】
a.提高作物產(chǎn)量
提高作物產(chǎn)量是由多個(gè)基因和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)所控制的,CRISPR/Cas基因編輯正在成為一種提高作物產(chǎn)量的精準(zhǔn)育種新方法。通過(guò)敲除水稻中的負(fù)調(diào)節(jié)因子,如gn1a、dep1、gs3等,增強(qiáng)了粒級(jí)、粒重、粒數(shù)、致密和直立的圓錐花序等產(chǎn)量相關(guān)性狀。此外,通過(guò)編輯與谷物重量相關(guān)的gw2、gw5和tgw6調(diào)控因子,突變體表現(xiàn)出谷物重量和大小的顯著增加;而敲除vin2基因,突變體會(huì)表現(xiàn)出種子大小和粒重的減小。
b.改善植物生長(zhǎng)發(fā)育
CRISPR/Cas基因編輯系統(tǒng)已成為研究植物生長(zhǎng)發(fā)育功能、改善植物形態(tài)以及促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要工具。研究人員采用CRISPR/Cas9基因編輯系統(tǒng)證明了MADS轉(zhuǎn)錄因子基因MADS78和MADS79在水稻胚乳細(xì)胞化和早期種子發(fā)育中的基本調(diào)控功能。同時(shí),由CRISPR/Cas9編輯的水稻己糖激酶hxk5基因突變體會(huì)導(dǎo)致水稻雄性不育。
c. 改善次生代謝和作物質(zhì)量
CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)被用于探索改變植物次級(jí)代謝以提高作物質(zhì)量的可能性。例如,通過(guò)對(duì)α-麥醇溶蛋白基因進(jìn)行編輯,研究人員獲得了低筋無(wú)轉(zhuǎn)基因的小麥,d-hordein基因敲除優(yōu)化大麥蛋白基質(zhì)。此外,利用CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)成功敲除淀粉分支酶(SBE)基因SBEIIb,并生成了具有高直鏈淀粉含量的基因組編輯水稻,其中直鏈淀粉含量高達(dá)25%,長(zhǎng)鏈比例更高。
d.增強(qiáng)作物抗病抗蟲能力
CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)已被迅速應(yīng)用于增強(qiáng)農(nóng)作物對(duì)真菌、病毒和細(xì)菌所引起疾病的抵抗力。例如,通過(guò)敲除六倍體面包小麥中的MLO基因,賦予小麥對(duì)白粉病的抗性;通過(guò)敲除水稻中的Os8n3基因,測(cè)試發(fā)現(xiàn)編輯后的水稻表現(xiàn)出對(duì)黃單胞菌感染具有顯著的抵抗力。
e.提高非生物脅迫的耐受性
隨著全球氣候的變化,非生物脅迫對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響越來(lái)越嚴(yán)重。采用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)提高對(duì)非生物脅迫的耐受性主要體現(xiàn)在對(duì)非編碼基因的調(diào)控。例如,在玉米中,通過(guò)編輯玉米體內(nèi)與乙烯反應(yīng)相關(guān)的負(fù)調(diào)節(jié)因子AGROS8,可增強(qiáng)玉米對(duì)干旱的耐受性;CRISPR/Cas編輯產(chǎn)生的G蛋白基因gs3和dep1突變體,增強(qiáng)了水稻對(duì)鹽脅迫的耐受性;ppa6基因的敲除增強(qiáng)了水稻對(duì)堿性脅迫的耐受性等。
泓迅生物
DNA“讀”“寫”“編”一站式解決方案
泓迅生物自2013年成立以來(lái),結(jié)合分子生物學(xué)、生物信息學(xué)、人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),構(gòu)建了全球領(lǐng)先的“讀”、“寫”、“編”一站式平臺(tái)。公司擁有近十年的農(nóng)作物全基因組CRISPR sgRNA設(shè)計(jì)與文庫(kù)合成經(jīng)驗(yàn),覆蓋水稻、小麥、玉米等十余種作物,幫助客戶獲取關(guān)鍵基因信息,加速遺傳多樣性研究和縮短育種周期。我們將利用高效合成生物學(xué)平臺(tái)和先進(jìn)生物設(shè)計(jì)及AI預(yù)測(cè),為基因編輯在農(nóng)作物育種的研究和商業(yè)化提供專業(yè)服務(wù),并致力于建立中國(guó)最強(qiáng)的育種庫(kù)。
泓迅生物CRISPR sgRNA設(shè)計(jì)案例匯總
參考文獻(xiàn):
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[3] 全球糧食危機(jī)要來(lái)???多國(guó)發(fā)出警告,歐美已在行動(dòng)…國(guó)內(nèi)飼料庫(kù)存緊張連續(xù)5次提價(jià),新浪財(cái)經(jīng),2022年03月30日