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基因编辑“流水线” 助力作物病害防控

来源:科技日报2021-12-09 10:16

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  华中农业大学谢卡斌课题组开发出一套名为“FLASH”的基因编辑“流水线”,不仅优化了整个基因编辑流程,还可用来快速鉴别基因编辑材料的“身份”,帮助找出农作物中与抗病、抗逆、产量等重要农艺性状相关的基因。

  近日,华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室暨湖北洪山实验室谢卡斌教授课题组,在《分子植物》发表的研究论文,报道了一种大规模、高通量编辑植物基因的方法,并利用该方法编辑了水稻中全部受体激酶基因,为快速鉴定抗病、抗逆相关的基因提供了新资源。

  基因编辑流程得以高效优化

  基因编辑技术在生命科学基础研究和作物遗传改良方面蕴含巨大潜力,因此成为近几年生命科学领域的研究热点和科研竞争制高点。作为一种将生物DNA序列进行精准修改的技术,CRISPR/Cas9自2013年被用于基因编辑以来,一直处于火速发展中。

  伴随CRISPR/Cas9基因编辑技术在植物研究中日益成熟,利用CRISPR文库进行高通量的遗传筛选成为可能。目前有两种CRISPR文库构建策略,即混合型文库和阵列式文库。其中,混合型CRISPR文库已被多个实验室用于水稻、玉米、番茄等作物突变体库的构建,但尚未有阵列式CRISPR文库在植物中应用的报道。

  植物CRISPR/Cas9基因编辑技术在农业领域应用越来越广泛。水稻等作物编码了数万个基因,仅几千个基因的功能得到研究。如何利用CRISPR/Cas9基因编辑技术快速分离和鉴定调控重要农艺性状的基因,是植物基因编辑技术领域的一个重要课题。

  谢卡斌是最早开展植物CRISPR/Cas9基因编辑工具研发的科研人员之一,他所在的课题组在该领域积累了多项新技术成果。

  在前期工具基础上,谢卡斌课题组创建了靶向敲除1072个水稻类受体激酶的基因编辑材料,为快速鉴定抗病、抗逆相关基因提供了新资源。他们还开发出一套名为“FLASH”的基因编辑“流水线”,高效优化了整个基因编辑流程,可以通过常规聚合酶链式反应(PCR)和凝胶电泳读取每个载体和转化植株的靶基因信息。

  谢卡斌介绍,该“流水线”包含设计编辑位点计算机程序、高效率CRISPR/Cas9基因编辑载体、高通量构建基因编辑载体克隆方法等。“更重要的是,我们在‘流水线’中设计了一种新方法,向基因编辑载体中引入了不同长度的DNA序列作为标签,用来快速鉴别基因编辑材料的‘身份’。”他说。

  “地毯式”搜索农作物中特定基因

  谢卡斌说,载入标签后,通过简单PCR就可快速、实时地读取CRISPR/Cas9载体、基因编辑植物材料的信息。利用该基因编辑“流水线”,可以迅速地构建包含数十乃至上万个基因材料信息的基因编辑文库。

  得益于基因编辑文库,研究人员可以对所有基因的功能进行“地毯式”搜索,找出其中与抗病、抗逆、产量等重要农艺性状相关的基因。

  开发了高通量基因编辑“流水线”,谢卡斌课题组便将此技术用于水稻抗病研究。植物病害一直是农业生产重大威胁之一,利用现代生物技术来提高作物抗病能力是应对作物病害的关键手段。

  课题组在试验中发现,一类被称为受体激酶的基因,是植物识别病原物必不可少的组分。利用FLASH基因编辑“流水线”,课题组博士研究生陈凯园在一年左右时间内完成了所有1000余个水稻类受体激酶的基因编辑,目标基因的编辑效率在90%以上。

  对受体激酶相关基因展开初步测试后,谢卡斌课题组选择了15个基因材料进行稻瘟病接种试验,鉴定到了9个抗稻瘟病相关基因。对受体激酶基因的编辑仅仅是一个开始,他们希望利用所构建的高通量基因编辑“流水线”,对水稻等主要农作物基因开展“地毯式”功能搜索,为作物遗传改良提供理论和技术支持。

  谢卡斌表示,基因编辑是CRISPR/Cas9系统最重要的一个应用。除了基因编辑,CRISPR/Cas9系统还可改造成不同工具用于农业生产。

  谢卡斌认为,这些CRISPR/Cas系统改造而来的工具会大大加速我们对作物病害的基础研究,也会带来用于作物病害绿色防控的新技术新方法。(记者 吴纯新 通讯员 蒋朝常)

[ 责编:赵宇豪 ]
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