河南省農業(yè)科學(xué)院神農種業(yè)實(shí)驗室利用單堿基編輯創(chuàng )制出抗除草劑花生新種質(zhì)

近日，河南省農業(yè)科學(xué)院/神農種業(yè)實(shí)驗室張新友院士團隊突破花生遺傳轉化技術(shù)瓶頸，利用CRISPR/Cas9單堿基編輯技術(shù)率先實(shí)現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TOP期刊，影響因子13.8）上發(fā)表。

據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(lái)源和產(chǎn)區農民增收的重要渠道，對保障國家食用油安全和促進(jìn)鄉村產(chǎn)業(yè)振興發(fā)揮著(zhù)重要作用?；ㄉ镩g雜草種類(lèi)繁多，危害嚴重，雜草危害一般可造成花生減產(chǎn)5-20%，嚴重時(shí)達40-60%，必須使用除草劑予以控制，但是除草劑使用不當往往會(huì )對花生生長(cháng)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?；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)在目標基因靶標位點(diǎn)的特定區域實(shí)現了C?G 到 T?A或A?T 到 G?C單堿基的精準替換，該技術(shù)已被成功應用于水稻、棉花和油菜等多種作物，受限于花生遺傳轉化效率低下、基因組結構復雜，目前未見(jiàn)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用的50多種商用除草劑的作用靶標，噴施ALS類(lèi)除草劑會(huì )降低ALS活性，導致上述氨基酸合成受阻，植物生長(cháng)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ALS類(lèi)除草劑敏感度下降，從而產(chǎn)生對ALS類(lèi)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，構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)行精準編輯，獲得了19個(gè)突變株系，包括P197S、P197F和P197N三種突變類(lèi)型，并可穩定遺傳，單堿基編輯效率約為3.5%，未發(fā)現脫靶現象。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天出現藥害，15天后徹底死亡，而堿基編輯花生生長(cháng)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(cháng)。該研究不僅首次對單堿基編輯在花生中的應用進(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)。

該研究在河南省農業(yè)科學(xué)院/神農種業(yè)實(shí)驗室完成，得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2022YFD1200400）、河南省重大科技專(zhuān)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。

(分子育種研究院供稿)