近日,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所與農(nóng)業(yè)基因組研究所合作在The Crop Journal在線發(fā)表了題為″Three novel alleles of OsGS1 developed by base-editing-mediated artificial evolution confer glufosinate tolerance in rice″的研究論文。針對植物中草銨膦靶標(biāo)蛋白GS抗性變異資源稀缺的問題,作者利用堿基編輯介導(dǎo)的基因定向進化技術(shù)(BEMGE)對水稻內(nèi)源基因OsGS1進行人工進化,創(chuàng)制和挖掘具草銨膦抗性的新變異位點,并借助堿基編輯技術(shù)對水稻主栽品種南粳46進行草銨膦抗性改良。

研究中,針對OsGS1的編碼區(qū)設(shè)計獲得102個sgRNA(41個具有NGG PAM和61個具有NGH PAM)；根據(jù)PAM種類,將sgRNA分成兩組,分別與高活性且編輯窗口寬的胞嘧啶堿基編輯器(rBE5和rBE22)和腺嘌呤堿基編輯器(rBE49b和rBE53)組裝獲得用于農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化的四個堿基編輯質(zhì)粒庫。從近4200個潮霉素抗性愈傷群體中篩選出3個具有草銨膦抗性的水稻材料,經(jīng)過sgRNA和靶位點鑒定,獲得三個全新抗性變異類型(OsGS1-AVPS、OsGS1-+AF和OsGS1-SGTA)(圖1)。載藥平板萌發(fā)和草銨膦(田間推薦劑量)噴施試驗結(jié)果顯示,OsGS1-AVPS、OsGS1-+AF和OsGS1-SGTA確實能夠賦予水稻草銨膦耐受性(圖1)。在這三種抗性變異中,只有S59G曾在抗草銨膦雜草中有過報道,另兩種均為全新的抗性變異位點。最后,通過精準(zhǔn)堿基編輯技術(shù)將抗性變異OsGS1-AVPS和OsGS1-SGTA成功引入到主栽品種南粳46中(圖2)。該研究結(jié)果表明,通過對作物內(nèi)源基因進行基因組編輯以實現(xiàn)作物草銨膦抗性改良這一方法是可行的,這將極大地加快未來抗草銨膦作物品種的培育。

圖1 人工定向進化內(nèi)源基因OsGS1創(chuàng)制獲得的3個耐草銨膦水稻新種質(zhì)

圖2 抗性變異OsGS1-AVPS和OsGS1-SGTA引入水稻主栽品種南粳46