山东省农科院研发高效的小麦多基因多靶点编辑技术体系

 莫攸然      

小麦是重要的粮食作物,突破性的小麦品种对保障粮食安全至关重要。基因组编辑技术是创制突破性种质资源、加速育种进程的有效手段。但小麦是异源六倍体,基因组复杂,要实现多个基因A、B、D三个基因组上的多靶点同时编辑非常困难。虽然小麦多基因编辑已有报道,但与水稻、玉米等作物相比,仍然存在编辑效率低、突变体纯合慢等问题。

针对上述问题,山东省农业科学院作物研究所小麦分子育种团队,通过载体元件的优化改造,研发了高效的小麦多基因多靶点编辑技术体系,使小麦的单基因三靶点同时编辑效率达到100%,双基因六靶点同时编辑效率达到96%,三基因八靶点同时编辑效率达到37%。


11月4日,该研究成果在线发表于《植物生物技术杂志》。


该研究对小麦基因编辑载体元件进行了系统优化,构建了3个小麦多基因编辑载体系统,分别为基于Pol III型启动子的TRSP、tRNA和基于Pol II型启动子的核酶系统。设计的3个gRNA分别靶向TaDA1、TaPDS和TaNCED1在A、B和D基因组上的8个位点。利用该课题组高效的农杆菌介导的小麦转基因技术和平台,分别获得了22、26和27个T0代转基因阳性株系。利用PCR扩增靶位点附近序列,结合NGS测序方式分析了基因编辑类型,发现tRNA和核酶系统的编辑效率显著高于TRSP系统,其中,核酶系统对TaPDS基因的编辑效率在A、B、D三个基因组上均达到100%,并且有22个株系出现白化表型,白化苗数为TRSP、tRNA系统的4.4倍(TRSP、tRNA系统均只有5个白化苗)。进一步分析发现,上述三个编辑系统均可实现三基因八靶点的同时编辑,其中tRNA和核酶系统同时编辑的效率分别为34.62%和37.04%,而TRSP系统仅为18.18%。


为进一步探究基因型和表型的关系,作者对单个株系中野生型和突变型基因的比例进行分析,发现核酶系统同时显著提高了TaDA1和TaPDS突变型的比例,即核酶系统显著降低了单个株系中基因野生型的比例。为量化基因型和表型的关系,作者以TaPDS为例,对绿苗(无表型)、嵌合体和白化苗中突变基因型的比例进行统计,发现只有单个株系中A、B和D基因组上突变型比例平均值高于80.59%才会出现白化表型,低于69.10%为绿色。上述数据说明,核酶系统不仅编辑效率最高,而且它还显著提高单个株系中A、B、D三个基因组上同源基因同时突变的几率,使T0代获得突变表型的几率大大增加,该研究结果对何时进行小麦突变体表型鉴定具有指导意义。


相关论文信息:https://doi.org/10.1111/pbi.13508


延伸阅读:乾县2020年小麦冬前田间管理指导意见


立冬已过,小麦冬前管理已进入关键时期。为了全面了解小麦当前苗情,更好指导我县小麦生产,农技人员经过实地调查,针对我县小麦不同苗情提出相应管理措施。

一、对于出苗不齐、秸秆还田、土壤悬空不实和整地质量较差的麦田,尽早灌保苗水,踏实土壤,确保小麦正常出苗。对抢时抢墒撒播的田块,播种时墒情较好,播量偏大,目前群体较大,麦苗茎细、叶窄,个体发育较差,有旺长趋势,建议推迟冬灌,待弱苗自然消亡后再实施灌水,并适时镇压或深中耕控制旺长。


二、目前小麦主茎叶龄4叶,群体适宜,但次生根较少,有的无次生根,田间有吊根现象,麦苗抗旱、抗冻能力较差;建议尽快冬灌,亩灌水量一般为40方左右,要做到小水灌溉,当日下渗,地表无存水,避免大水漫灌。浇水后,要注意适时划锄,破除板结,提倡节水灌溉和喷灌。


三、播种时田间墒情过大,整地质量差,田间土坷垃严重,出苗较差,有“全黄苗”现象,建议立即灌水,融化土块,促苗早发,无灌水条件的应适时镇压,压碎土块,弥合缝隙。使根系和土壤紧实结合,以利提墒保墒,促进发育。

四、目前小麦长势较好,主茎叶龄4叶以上,田间杂草显现,应结合当前良好天气及时化除。一般在11月中旬至12月上旬(日平均气温在10℃以上),小麦3~6叶期,阔叶杂草3~5叶期,禾本科杂草2~4叶期,选用高效、低毒、低残留除草剂施药效果最佳。化除时间选择在无风的晴天早上10点至下午4点进行。化除需要注意区分和本科杂草和阔叶杂草的适用药剂,对症下药,严禁盲目用药。除草剂用量和使用方法要严格按照所用产品的使用说明进行。同时还要严密监控条锈病、地下害虫等小麦病虫发生发展动态,做到早防早治。


五、对由于重播引起稠苗、撮撮苗或基本苗较大的田块,要通过人工划锄的办法,进行疏苗,确保麦田的合理群体。


六、对苗小、苗弱、群体不足的田块要以促为主,可结合灌水或趁墒追肥,一般亩追施尿素4-5公斤左右,促苗转化升级。

来源:中国科学报 王芳、乾县农业农村局

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