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基因編輯“流水線” 助力作物病害防控

2021-12-09 10:29:33

華中農業大學謝卡斌課題組開發出一套名為“FLASH”的基因編輯“流水線”,不僅優化了整個基因編輯流程,還可用來快速鑒別基因編輯材料的“身份”,幫助找出農作物中與抗病、抗逆、產量等重要農藝性狀相關的基因。

近日,華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室暨湖北洪山實驗室謝卡斌教授課題組,在《分子植物》發表的研究論文,報道了一種大規模、高通量編輯植物基因的方法,并利用該方法編輯了水稻中全部受體激酶基因,為快速鑒定抗病、抗逆相關的基因提供了新資源。

基因編輯流程得以高效優化

基因編輯技術在生命科學基礎研究和作物遺傳改良方面蘊含巨大潛力,因此成為近幾年生命科學領域的研究熱點和科研競爭制高點。作為一種將生物DNA序列進行精準修改的技術,CRISPR/Cas9自2013年被用于基因編輯以來,一直處于火速發展中。

伴隨CRISPR/Cas9基因編輯技術在植物研究中日益成熟,利用CRISPR文庫進行高通量的遺傳篩選成為可能。目前有兩種CRISPR文庫構建策略,即混合型文庫和陣列式文庫。其中,混合型CRISPR文庫已被多個實驗室用于水稻、玉米、番茄等作物突變體庫的構建,但尚未有陣列式CRISPR文庫在植物中應用的報道。

植物CRISPR/Cas9基因編輯技術在農業領域應用越來越廣泛。水稻等作物編碼了數萬個基因,僅幾千個基因的功能得到研究。如何利用CRISPR/Cas9基因編輯技術快速分離和鑒定調控重要農藝性狀的基因,是植物基因編輯技術領域的一個重要課題。

謝卡斌是最早開展植物CRISPR/Cas9基因編輯工具研發的科研人員之一,他所在的課題組在該領域積累了多項新技術成果。

在前期工具基礎上,謝卡斌課題組創建了靶向敲除1072個水稻類受體激酶的基因編輯材料,為快速鑒定抗病、抗逆相關基因提供了新資源。他們還開發出一套名為“FLASH”的基因編輯“流水線”,高效優化了整個基因編輯流程,可以通過常規聚合酶鏈式反應(PCR)和凝膠電泳讀取每個載體和轉化植株的靶基因信息。

謝卡斌介紹,該“流水線”包含設計編輯位點計算機程序、高效率CRISPR/Cas9基因編輯載體、高通量構建基因編輯載體克隆方法等?!案匾氖?,我們在‘流水線’中設計了一種新方法,向基因編輯載體中引入了不同長度的DNA序列作為標簽,用來快速鑒別基因編輯材料的‘身份’?!彼f。

“地毯式”搜索農作物中特定基因

謝卡斌說,載入標簽后,通過簡單PCR就可快速、實時地讀取CRISPR/Cas9載體、基因編輯植物材料的信息。利用該基因編輯“流水線”,可以迅速地構建包含數十乃至上萬個基因材料信息的基因編輯文庫。

得益于基因編輯文庫,研究人員可以對所有基因的功能進行“地毯式”搜索,找出其中與抗病、抗逆、產量等重要農藝性狀相關的基因。

開發了高通量基因編輯“流水線”,謝卡斌課題組便將此技術用于水稻抗病研究。植物病害一直是農業生產重大威脅之一,利用現代生物技術來提高作物抗病能力是應對作物病害的關鍵手段。

課題組在試驗中發現,一類被稱為受體激酶的基因,是植物識別病原物必不可少的組分。利用FLASH基因編輯“流水線”,課題組博士研究生陳凱園在一年左右時間內完成了所有1000余個水稻類受體激酶的基因編輯,目標基因的編輯效率在90%以上。

對受體激酶相關基因展開初步測試后,謝卡斌課題組選擇了15個基因材料進行稻瘟病接種試驗,鑒定到了9個抗稻瘟病相關基因。對受體激酶基因的編輯僅僅是一個開始,他們希望利用所構建的高通量基因編輯“流水線”,對水稻等主要農作物基因開展“地毯式”功能搜索,為作物遺傳改良提供理論和技術支持。

謝卡斌表示,基因編輯是CRISPR/Cas9系統最重要的一個應用。除了基因編輯,CRISPR/Cas9系統還可改造成不同工具用于農業生產。

謝卡斌認為,這些CRISPR/Cas系統改造而來的工具會大大加速我們對作物病害的基礎研究,也會帶來用于作物病害綠色防控的新技術新方法。

(文章來源:科技日報)

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