刘耀光院士团队利用基因编辑新策略改良稻米品质

近日，我校生命科学学院、亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室、岭南现代农业科学与技术广东省实验室刘耀光院士研究团队在国际生物技术著名期刊Plant Biotechnology Journal（IF2018=6.84）在线发表了题为“Quantitative regulation of Waxy expression by CRISPR/Cas9-based promoter and 5'UTR-intron editing improves grain quality in rice”的研究论文（DOI: 10.1111/pbi.13427，论文链接地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13427）。该研究利用CRISPR/Cas9介导的转录水平调控和转录后水平调控两种策略，编辑水稻Wxa等位基因的启动子区顺式元件和5'UTR（非编码区）内含子剪接点，获得了多个实用性的Wx新等位基因，创制了产生不同直链淀粉含量的籼稻新种质，为水稻品质育种提供了新的思路和研究方法。

　　传统的育种方法主要是杂交和回交育种，该方法不但耗时费力，而且容易造成目标品种优良性状的丢失。基因组编辑技术可以通过精准修饰目标基因，大大缩短育种的时间和保留优良性状。谷物中保守的Waxy (Wx)基因编码颗粒结合淀粉合成酶I（Granule-Bound Starch Synthase I, GBSS I）是淀粉合成的关键酶，控制胚乳直链淀粉含量（AC）和胶稠度(GC)的变化，因而直接影响谷物的食味品质和加工特性。水稻不同种质的Wx等位变异产生不同AC，如大部分籼稻具有强功能等位基因Wxa，其胚乳AC较高（25%或以上），米饭较硬口感较差；而粳稻具有弱功能等位基因Wxb，其胚乳AC适中（15~18%），米饭较软口感较佳。目前报道的对Wx的编辑是对其编码区进行功能敲除，只能获得功能缺失突变（wx）的糯稻（AC为2%左右）。

　　“天丰A/B”是三系杂交稻广泛应用的优良不育系/保持系，但其Wxa基因型产生较高的AC（约25%），其杂交稻的食味品质较差。在该研究中，作者采用了对“天丰B”的Wxa启动子区和其5'UTR内含子剪接点（5'UTR intronic splicing site，5'UISS）进行编辑的2种策略，预期敲低调控Wx的表达，达到定量调控稻米AC，从而改良稻米品质的目的。作者首先分析发现Wx启动子区域含有Endosperm-box、A-box和 CAAT-box等顺式作用元件。在这些区域设计了8个靶点，每相邻两个靶点为一组，构建了4个编辑载体转化“天丰B”，成功获得了删除了这些作用元件的多个突变系。其中删除了CAAT-box 的三个突变系的Wx表达水平显著下降，使胚乳AC下降至适宜的17~18%左右，胶稠度也有所提高（图1）；其它突变系的胚乳AC也有不同程度下降。其次，作者通过对“天丰B”的Wxa 5'UTR内含子剪接点进行编辑，获得破坏了5'UTR内含子剪接点（或近旁位点）的多个突变系，其中三个突变系的AC降至9~10%左右，成功创制软米新种质（图1）。转录本测序分析表明，5'UISS的破坏造成Wx转录后加工剪接的紊乱和稳定性下降，从而导致成熟Wx mRNA水平的大幅度下降。该研究结果表明，基于转录水平调控和转录后水平调控的基因编辑策略都能够定量调控作物种子的AC。上述研究为CRISPR/Cas介导的基因表达调控提供了新的研究策略，将有助于加快作物的遗传育种改良的研究和应用。

图1 利用CRISPR/Cas9编辑启动子区和5'UISS区定量调控Wx的表达改善水稻品质

　　论文的第一作者为博士研究生曾栋昌，论文的通讯作者为刘耀光院士和祝钦泷青年教授。该研究得到了广东省基础与应用基础研究重大项目、国家自然科学基金项目和广东特支计划科技创新青年拔尖人才专项的资助。（文图/ 生命科学学院 赵秀彩）