aBIOTECH | 拜耳作物科学研究团队在大豆和玉米中成功开发基因型灵活的转化和编辑技术

基于CRISPR/Cas的基因组编辑技术因其强大的功能已成为作物育种的有力工具。利用基因组编辑技术，结合基因型灵活的植物转化方法，理论上可以在一个物种不同种质的任意位置创造目标变异。但是目前植物转化技术的发展相对落后。20世纪80年代中期，科学家第一次成功进行了植物转化，迄今为主已经有了许多改进，包括目标外植体从悬浮培养，到愈伤组织培养，再到未成熟胚的演变。最近，发育调节因子如BBM、WUS，生长调节因子GRFs，GRF-相互作用因子GIF、GRF-GIF嵌合体等已被证明可以促进体细胞胚胎发生，从而改善一些单子叶物种和双子叶物种的再生，并使难转化基因型的转化更加成功。但是这些发育调节因子增强再生系统的方法仍存在一定局限性。而基于器官发生的再生系统或基于种子胚外植体的分生组织转化可以帮助克服这些局限性。

近日，美国密苏里拜耳作物科学科研总部研究团队陈余荣博士和Edward Cargill 博士为共同通讯作者在aBIOTECH发表了题为“Simultaneous Genetic Transformation and Genome Editing of Mixed Lines in Soybean (Glycine max) and Maize (Zea mays)”的研究论文，报道了一种混合品系转化和编辑的方法，能对大豆和玉米中的许多优良基因型同时进行转化和编辑。

该研究报告了一种在种子胚外植体生产之前通过混合品系（基因型）同时转化和编辑多个基因型的方法，称为混合品系转化和编辑(Transformation and Editing of Mixed lines, TREDMIL)。在这种方法中，许多品系在生产种子胚外植体之前进行混合，然后利用基因组编辑技术，对混合品系进行转化，通过共表达大豆Dt1特异性或玉米Bm3特异性CRISPR RNAs（crRNAs）和核酸酶Cas12a，在目标基因区域产生插入缺失。再生后，通过基因型鉴定解码品系身份，并通过扩增子测序验证编辑结果。

Fig.1  Simultaneous editing of multiple elite soybean and maize with no obvious bias

通过对再生事件的基因型鉴定，作者发现104个优良大豆基因型中同时转化的占97%（101个），并且恢复的转化子分布在从00到VII的不同成熟群(MG)中。同样，在40个优良玉米自交系中，有55%(22个)同时转化，并且这些转化子分布在从92-117的不同的相对成熟度(RM)。利用扩增子测序，在所有的101个大豆转化品系中，在目标靶点Dt1的编辑达到94%，超过80%的转化大豆品系产生了该品系90%以上的编辑事件。同样，在玉米转化品系中，目标靶点Bm3的编辑达到69%，涉及22个转化雌性自交系中的17个。这些结果表明，可以利用种子胚胎转化系统进行高效、基因型灵活的转化和基因组编辑。

Fig.2  Distribution of distinct edits across maize and soybean

为了了解不同种质的编辑特征，进一步探究了在crRNA靶位点Dt1和Bm3上的TREDMIL实验的编辑结果。在Dt1的三个靶位点中，1506个转化子产生了总数超过4000个编辑事件，其中有超过800个不同类型的编辑事件。在Bm3的三个靶点中，96个转化子产生了总数超过200个编辑事件，其中有95个不同类型的编辑事件。在不同种质资源中产生的大量编辑谱可以比在单一种质中分析相同编辑事件更快地促进基因组发现。此外，在大豆的98种不同基因型中，有45%(678/1506)的编辑事件检测到Dt-1389位点的7个碱基缺失，有65%(11/17)的编辑玉米雌性自交系的Bm3-2070位点存在明显的3 个碱基缺失。在不同种质中创建相同编辑事件可以提供一种机制，用于在育种计划的早期评估种质-编辑事件相互作用，这将使我们能够更快地就特定编辑事件的广谱效力做出决断。这些结果表明，在未来的精准育种中，TREDMIL有助于加速定制作物品种的开发和部署。

引用本文：

Valentine, M., Butruille, D., Achard, F. et al. Simultaneous genetic transformation and genome editing of mixed lines in soybean (Glycine max) and maize (Zea mays). aBIOTECH 5, 169–183 (2024). https://doi.org/10.1007/s42994-024-00173-5

相关阅读：

aBIOTECH | 万建民团队综述植物病毒载体在基因编辑元件递送中的应用

aBIOTECH | 万建民/谭俊杰团队报道水稻超迷你CRISPR-Cas12f基因编辑工具

aBIOTECH | 夏兰琴团队利用水稻烷基嘌呤DNA糖基化酶研发单碱基编辑器rAKBEs并在水稻中实现腺嘌呤单碱基转换和颠换

aBIOTECH | 陈其军团队优化LbCas12a变体使其在拟南芥基因组编辑中达到实用化程度

aBIOTECH | 中山大学李剑峰团队开发富集多基因CRISPR突变体和剔除Cas9转基因的双功能筛选系统

aBIOTECH | 魏鹏程团队利用FrCas9系统编辑水稻基因核心启动子

aBIOTECH | 广州大学关跃峰团队创制低植酸与产量表型平衡的基因编辑大豆

aBIOTECH | 中国农科院作科所建立基因编辑大豆可视化识别技术体系

aBIOTECH | 河北农业大学赵建军/李君团队扩展芸薹属蔬菜中CRISPR/Cas9基因编辑靶向范围

aBIOTECH | 任雯/杨进孝/赵久然团队利用增强型引导编辑技术实现高效精确的基因组片段缺失

aBIOTECH | 谢卡斌团队通过引入C末端移码突变获得可育和可遗传的MAPK/RLK基因敲除突变体

aBIOTECH | 欧盟新基因（组）技术监管政策的演变

aBIOTECH | 张韬-机器学习方法在作物基因编辑中的应用

aBIOTECH | 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

aBIOTECH | 福建农林大学关跃峰课题组报道南方大豆易炸荚的“基因疗法”

aBIOTECH | 河北农业大学赵建军/李君综述基因编辑技术在芸薹属蔬菜作物中的应用及展望