随着人口增长、消费结构升级，资源环境承载能力趋紧，人类社会需要在植物产量、抗性及品质提升等研究及应用方面取得重大进展。近年来，以CRISPR-Cas核酸酶为代表的基因组编辑技术快速发展，极大推进了基因功能解读及分子育种应用等方面的工作，可以精确改良农作物目标性状，并可以创造新性状，甚至可以实施基于定向进化的全新植物从头创制。然而，目前植物基因组编辑基础及应用研究工作中，绝大部分是针对基因编码区进行的（其中又以蛋白编码基因为主），相关非编码序列，特别是启动子等非编码调控序列开展的基因组编辑工作相对小众。这种研究局限主要有两方面的原因：一方面，由于相对编码区敲除编辑造成的功能缺失突变，基于调控序列编辑造成的可预期性状改变主要为表型并不明显的数量性状逐步变异；另一方面，目前广泛使用的Cas9核酸酶基因组编辑工具在启动子编辑中获得多位点共编辑、多碱基删除及替换编辑、大片段删除编辑等高阶编辑事件的效率较低，且编辑特异性也需要进一步提升，难以满足植物启动子编辑工作的实际需求。因此，研究者迫切需要可显著提升植物启动子编辑效率、编辑事件多态性及“非沉默编辑事件”得率的高效启动子编辑工具及可行编辑策略。

在这项研究中，论文作者基于CAPE系统，精确预测植物目标基因启动子区域关键调控位点、设计高可信度位点向导RNA、构建多位点或单位点CRISPR-Cas12a编辑表达载体（库），在水稻OsGBSS1及OsGS3中实现了目标基因表达水平及对应农艺性状的线性可调，进而基于启动子编辑策略挖掘鉴定了新绿色革命等位基因（OsO18-PEs），为实现作物数量性状从头创制提供了有效策略。全文内容概述如下：

1、通过整合开放染色质、转录因子结合位点、非编码序列保守性和组蛋白修饰等多组学数据集，运用多因子加权赋值策略开发了植物启动子关键区域、位点智能预测算法，结合Cas12a核酸酶编辑特性及植物启动子编辑多样化需求，构建了可实现植物全基因组启动子重点编辑区域或位点可信度评价、编辑工具选择、编辑位点优化等功能的高效植物基因启动子编辑CAPE系统，并提供在线平台（图1）。

图1 CRISPR-Cas12a启动子编辑 (CAPE) 系统设计：a，调控基因表达的启动子区域染色质结构；b，用于构建启动子区域关键位点评估模型的基因组特征；c，基于启动子编辑策略的目标基因调控可行性；d，Cas9及Cas12a编辑系统在启动子编辑策略有效应用中的特性比较

2、运用CAPE方法，在OsGBSS1基因启动子预测除了5个关键调控区域，并设计了6个向导RNA，构建Cas12a多基因编辑表达载体，在农杆菌介导的转化再生苗中获得了47个纯合启动子编辑株系，发现直链淀粉含量在不同启动子编辑材料间呈现连续性变化（图2），证实了基于CAPE系统的数量性状从头创制可行性。

图2 基于CAPE策略的水稻OsGBSS1启动子编辑及直链淀粉含量数量性状连续变异种质创新：a，7个水稻亚种4594个品种OsGBSS1基因及其启动子等位基因多态性分析；b，基于评估模型的启动子特征赋值；c，OsGBSS1启动子编辑（OsGBSS1-PE）材料基因分型；d，启动子编辑材料表型变异比较；e，预测赋值与归一化表型差异相关性分析；f，OsGBSS1启动子编辑材料精米外观（左）和籽粒淀粉碘染色

3、进一步运用CAPE系统对水稻赤霉素、油菜素内酯和独角金内酯等激素生物合成关键基因启动子进行编辑，发现编辑OsD18的启动子材料的株高呈现连续变化，获得了理想的半矮秆单株材料（图3）。同时，对高秆地方品种YBN2和BBN1的OsD18启动子进行编辑，获得了具“绿色革命”特征的高产半矮秆材料。

图3 基于水稻OsD18启动子编辑的株高数量性状变异连续新种质创制：a，油菜素内酯、独脚金内酯和赤霉素合成途径及关键基因；b，基于评估模型的启动子特征赋值；c，OsD18启动子编辑（OsD18-PE）材料基因分型；d，启动子编辑材料表型变异比较；e, OsD18-PE编辑材料表型分析；f-k, OsD18-PE编辑材料基因表达水平及关键农艺性状比较分析

电子科技大学周建平博士、扬州大学博士研究生刘冠卿为论文共同第一作者，电子科技大学张勇教授、扬州大学张韬教授和美国马里兰大学Yiping Qi博士为共同通讯作者。研究工作得到了国家重大研发计划、国家自然科学基金、四川省科技项目、重庆市技术创新与应用发展项目和江苏省作物遗传学与生理学重点实验室开放基金等项目资助。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41477-023-01384-2