CRISPR碱基编辑介导的水稻OsALS1基因人工进化培育新型抗除草剂种质
作者及发表信息
本研究由Yongjie Kuang(中国农业科学院植物保护研究所)、Shaofang Li(中国农业大学)等共同完成,通讯作者为Huanbin Zhou(中国农业科学院植物保护研究所)。论文于2020年4月发表于期刊*Molecular Plant*(Volume 13, Issue 4, Pages 565–572),标题为《Base-editing-mediated artificial evolution of OsALS1 in planta to develop novel herbicide-tolerant rice germplasms》。
学术背景
本研究属于植物基因编辑与作物育种领域,核心目标是通过CRISPR碱基编辑技术(Base Editing)对水稻内源基因OsALS1进行人工进化,创制抗除草剂(Bispyribac-sodium, BS)的新型水稻种质。
背景知识:
1. OsALS1基因功能:编码乙酰乳酸合成酶(Acetolactate Synthase, ALS),是除草剂的主要靶标蛋白。自然突变或人工诱导的ALS功能变异可赋予植物除草剂抗性。
2. 技术瓶颈:传统育种依赖自然变异或随机诱变,效率低且周期长;CRISPR碱基编辑能直接引入单核苷酸变异(SNVs),但针对未知功能SNPs的定向进化仍具挑战性。
3. 科学目标:开发“碱基编辑介导的基因进化”(BEMGE)方法,通过饱和突变OsALS1编码区,快速筛选抗性变异,并验证其农业应用潜力。
研究流程与方法
1. sgRNA文库设计与构建
- 靶标区域:针对OsALS1的1935 bp编码区,设计63条sgRNA,覆盖正反链,按靶区分为6个池(每池10-11条sgRNA)。
- 碱基编辑器:使用胞嘧啶碱基编辑器RBE9(Cas9n-APOBEC1-UGI)和腺嘌呤碱基编辑器RBE14(Cas9n-TadA*),分别实现C>T/G>A和A>G的编辑。
转化与突变诱导
抗性筛选与验证
商业化品种改良
主要结果
1. 突变效率与多样性
- 农杆菌法和基因枪法的编辑效率分别为24%和28%,后者更易产生多位点突变。
- 突变类型以C>T/G>A为主(占比70%),但A/T碱基的编辑亦被检测到(图2C)。
抗性机制解析
技术优势
结论与价值
1. 科学意义
- 首次在植物体内实现内源基因的人工定向进化,为作物功能基因组学研究提供新范式。
- 证实碱基编辑可高效创制未知功能SNPs,突破传统育种对已知变异的依赖。
研究亮点
1. 方法创新:结合sgRNA池与双碱基编辑器,实现单基因的“全编码区扫描”。
2. 资源创制:OsALS1-P171F是全球首个通过碱基编辑获得的高效抗BS等位基因。
3. 快速育种:从变异筛选到品种改良仅需单代编辑,大幅缩短育种周期。
其他价值
- 研究数据公开于RiceVarMap数据库,为后续ALS抗性机制研究提供参考。
- 技术已申请专利,具备商业化开发前景。
(全文约2000字)