由“白”转“红”，科学家培育出抗穗发芽红麦

摘要：基因组所联合作科所、福建省农业科学院生物技术研究所等单位成功创制抗穗发芽红麦。

导读：

为了培育出抗穗发芽的小麦品种，科学家利用CRISPR/Cas9基因编辑技术成功修复了白粒小麦品种中调控穗发芽抗性的Tamyb10基因，成功将白粒小麦转化为红粒小麦，并提高了小麦的抗穗发芽能力。除了籽粒颜色和抗穗发芽外，该基因编辑小麦在其他农艺性状上与对照品种没有区别。

正文：

小麦成熟期时如果遇连阴雨，不能及时收获，常会出现受潮的麦粒在麦穗上发芽的现象，这一现象被称作穗发芽（Pre-harvest sprouting, PHS），穗发芽不仅会严重影响小麦的产量和品质，还会影响小麦贮存或翌年的播种质量。如何培育出抗穗发芽的小麦品种？育种学家们决定从基因上入手。

基因，作为承载遗传信息的最基本单位，直接或间接地控制着表观性状，在普通六倍体小麦中，研究人员发现R2R3-MYB转录因子Tamyb10基因能够通过激活类黄酮与ABA生物合成相关基因来调控籽粒颜色和穗发芽抗性。但在长期的驯化过程中，大多数白粒小麦品种的Tamyb10 基因发生了突变，导致小麦种皮花青素不能正常积累而呈现白色种皮。

其中，Tamyb10-A1在内含子处有2.2kb大片段T-DNA插入而失活，Tamyb10-D1为大片段丢失，Tamyb10-B1基因在近88.6%的面包小麦品系中，在第三外显子处存在19bp缺失，该缺失导致开放阅读框移码，蛋白翻译提前终止，而使蛋白功能丧失。

在这项研究中，研究人员针对Tamyb10-B1 的19bp缺失位点设计特异性gRNA，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术获得Tamyb10-B1a基因的+1bp编辑植株，从而使白皮小麦中Tamyb10-B1a基因的19bp缺失导致的移码突变精准修复为18bp缺失，进而使Tamyb10-B1基因恢复编码蛋白的能力。通过上述方法，研究人员成功地将白粒小麦转化为红粒小麦，并提高了小麦的抗穗发芽能力。除了籽粒颜色和抗穗发芽外，该基因编辑小麦在其他农艺性状上与对照品种没有区别。该方法可实现优良白麦品种的快速改良，而不需要经过繁琐的杂交聚合和回交。在我国普通栽培白麦品种中Tamyb10-B1基因的19bp缺失广泛存在，因此该方法将有助于快速培育具有穗发芽抗性的红麦新品种。

图 | 基因编辑修复Tamyb10功能创制抗穗发芽红麦

该研究成果以题为“CRISPR/Cas9-mediated restoration of Tamyb10 to create pre-harvest sprouting-resistant red wheat”的研究论文发表在国际生物技术著名期刊《植物生物技术（Plant Biotechnology Journal）》上，基因组所张翠军研究员和中国农科院作科所王轲副研究员为论文的通讯作者。基因组所博士后朱义旺和福建省农科院生物技术所林雅容博士为论文共同第一作者，同时感谢南方科技大学朱健康院士、基因组所程时锋研究员、福建省农业科学院生物技术研究所王锋研究员、中国农科院作科所叶兴国研究员、爱丁堡大学Justin Goodrich教授对本研究的指导。本研究得到国家重点研发计划、广东省科学技术基金、国家自然科学基金、中国博士后科学基金的资助。

原文链接： https://doi.org/10.1111/pbi.13981

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张翠军课题组介绍

张翠军，研究员，博导，农科院青年英才。2010年硕博连读毕业于河北师范大学，2010-2015年在北京生命科学研究所从事转录水平基因沉默分子机制研究，2015-2019年在上海植物逆境中心和美国普渡大学从事异染色质沉默分子机制研究。在 Nature Communications, The EMBO Journal, Cell Research, Plant Physiology, J Integr Plant Biol等国际一流期刊上发表多篇论文。加入基因组所后，其课题组利用基因组学、遗传学、生化与分子生物学等多学科手段开展小麦基因编辑改良及抗赤霉病研究。重点研究: 1) 小麦抗赤霉病基因挖掘；2) 禾谷镰刀菌与小麦互作；3)小麦基因编辑改良。 本课题组长期招聘植物病原菌互作、植物基因编辑改良方向博士后，欢迎有志于小麦抗病和基因编辑改良的小伙伴们加入我们，联系方式zhangcuijun@caas.cn。