浙江大学刘建祥团队通过多靶点基因编辑创制抗百草枯水稻

农业生产中，伴随着除草剂广泛使用，杂草耐药性问题日益显现，甚至对广谱性除草剂草甘膦（glyphosate）也表现出一定的抗性。因此，新型除草剂的开发显得尤为重要。百草枯（paraquat）又名紫精、紫罗碱，是一种快速灭生性除草剂，具有触杀作用和一定内吸作用，其除草机理是能迅速被植物绿色组织吸收，使其枯死。尽管百草枯的毒性很强，但面对上述问题，今后仍具有优化的空间和被广泛使用的潜力。

近日，浙江大学生科院植物所刘建祥教授团队在aBIOTECH在线发表了题为“Disruption of the three polyamine uptake transporter genes in rice by CRISPR/Cas9 gene editing confers tolerance to herbicide paraquat”（点击题目查看原文）的研究论文。该研究通过多靶点基因编辑手段，同时突变水稻中3个OsPUT（polyamine uptake transporter）基因，显著增强了水稻的百草枯抗性，为今后技术出口和水稻大田广泛使用奠定了基础。

通过比对拟南芥百草枯转运蛋白AtRMV1发现水稻中存在3个同源基因OsPUT1/2/3。通过多靶点CRISPR-Cas9系统，对3个基因同时进行编辑，获得了百草枯抗性水稻材料。无论是幼苗还是一个月大小的水稻植株，经百草枯处理，在株高和鲜重等方面，突变体均表现出显著性抗性（图1）。尽管破坏了OsPUTs基因，但在大田种植未经除草剂处理下，突变体和野生型植株并无明显表型差异，株高、生育期和产量等农艺性状均不受影响（图1）。鉴于百草枯的作用靶点是叶绿体光合系统，作者进一步观察了处理之后叶绿体结构，结果表明百草枯处理使得野生型植株叶片更容易失绿，叶绿体结构紊乱，不再具有类囊体垛堞结构；而突变体即使在高浓度（5 μM）处理下依旧保持着完整的叶绿体结构。同时，高效液相色谱测定发现，无论是叶片还是根部，百草枯在野生型中都有富集，而突变体中含量显著降低。因此，通过基因编辑的手段创制的抗百草枯水稻种质材料表现出极显著的抗性特征，具有很好的应用潜力。同时该工作也为提高其它作物的百草枯抗性提供了借鉴。

A：一个月大小的野生型（WT）和两个三重突变体（OsPUTs-KO-1和OsPUTs-KO-6）水稻植株经200 μM百草枯处理后的表型分析。B：正常生长下，野生型和突变体的基本农艺性状分析

图1 抗百草枯水稻的创制

浙江大学刘建祥教授团队成员芦海平为最后通讯作者，博士生吕昱树为论文第一作者。相关工作得到了国家自然科学基金、浙江省重大项目等的资助。

阅读原文：https://rd.springer.com/article/10.1007/s42994-022-00075-4