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单碱基编辑技术实现水稻内源基因人工定向进化

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  近日,中国农业科学院植物保护研究所周焕斌团队提出并应用单碱基编辑技术(BEMGE)介导的植物内源基因定向进化技术,借此开发出具有除草剂抗性的水稻新种质,助力农作物精准分子育种。该研究通过BEMGE技术发掘出不同农艺性状及强度的等位基因,预示人类可定向进化各农作物重要性状的基因,进而掀开了农作物精准分子育种的新篇章。相关研究成果在线发表在《分子植物(Molecular plant)》上。

  在漫长的历史长河中,野生植物中多个关键基因上偶然出现的优良性状逐渐留传,最终形成现代作物。然而,依靠基因缓慢的自然变异速率无法满足当今人类社会对农作物快速增长的需求。

  因此,该团队在前期开发一系列单碱基编辑器基础之上,提出了单碱基编辑技术介导的水稻内源靶标基因的定向进化技术理念,在水稻细胞内人工模拟自然界基因的长期进化过程,短时间内创制成千上万个靶基因的新等位基因材料,用于育种筛选。

  该研究根据BEMGE原理,针对水稻除草剂基因OsALS1,设计了63条sgRNA进行覆盖,通过基因枪和农杆菌转化将sgRNA库和水稻单碱基编辑器rBE9与rBE14同时转入水稻细胞中。结果表明OsALS1基因产生了大量变异。通过除草剂抗性筛选,成功鉴定出4个自然界中未曾被发现的、对除草剂具有不同抗性程度的新等位基因;并通过单碱基编辑技术,成功将变异位点P171F引入到水稻生产品种南粳46中,将其升级为通过苗期一、两次施药,生育期田间无杂草发生的“洁田稻”。

  该研究得到国家自然科学基金、中国农科院科技创新工程等项目支持。(通讯员 欧阳灿彬)

  原文链接:https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(20)30010-1

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