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抗草銨膦水稻新種質創制！中國農科院利用堿基編輯技術對水稻主栽品種進行草銨膦抗性改良。
責任編輯：左彬彬 來源：The Crop Journal 日期：2022-11-15
水稻是我國最重要的糧食作物之一,在保障我國糧食安全和可持續發展中占有十分重要的地位。而稻田草害嚴重影響水稻產量和品質,特別是近年來由于栽培方式改變(直播水稻的推廣)、農村勞動力缺乏、除草劑不合理使用等原因,導致我國稻田雜草危害加重,難治雜草凸顯,抗藥性產生迅速,藥害發生頻繁。化學防治和除草劑抗性品種結合使用是目前實際生產中最為有效的雜草防控措施。培育廣譜非選擇性除草劑抗性水稻將有助于改善稻田雜草化學防治效果,減少用藥量和簡化防治措施,最終保障水稻的優質和高產。廣譜滅生性除草劑草銨膦因高效和不易導致雜草產生抗藥性已被廣泛用于非耕地的雜草防控。因此創制和培育具有草銨膦抗性的內源基因修飾水稻品種,對減輕稻田雜草危害、簡化防控措施、降低防控成本和保證水稻高產優質具有非常重要的意義。然而,目前對草銨膦靶標蛋白GS的抗性變異信息還知之甚少,導致抗草銨膦內源基因修飾水稻新種質創制還十分滯后。
近日,中國農業科學院植物保護研究所與農業基因組研究所合作在The Crop Journal在線發表了題為″Three novel alleles of OsGS1 developed by base-editing-mediated artificial evolution confer glufosinate tolerance in rice″的研究論文。針對植物中草銨膦靶標蛋白GS抗性變異資源稀缺的問題,作者利用堿基編輯介導的基因定向進化技術(BEMGE)對水稻內源基因OsGS1進行人工進化,創制和挖掘具草銨膦抗性的新變異位點,并借助堿基編輯技術對水稻主栽品種南粳46進行草銨膦抗性改良。
研究中,針對OsGS1的編碼區設計獲得102個sgRNA(41個具有NGG PAM和61個具有NGH PAM)；根據PAM種類,將sgRNA分成兩組,分別與高活性且編輯窗口寬的胞嘧啶堿基編輯器(rBE5和rBE22)和腺嘌呤堿基編輯器(rBE49b和rBE53)組裝獲得用于農桿菌轉化的四個堿基編輯質粒庫。從近4200個潮霉素抗性愈傷群體中篩選出3個具有草銨膦抗性的水稻材料,經過sgRNA和靶位點鑒定,獲得三個全新抗性變異類型(OsGS1-AVPS、OsGS1-+AF和OsGS1-SGTA)(圖1)。載藥平板萌發和草銨膦(田間推薦劑量)噴施試驗結果顯示,OsGS1-AVPS、OsGS1-+AF和OsGS1-SGTA確實能夠賦予水稻草銨膦耐受性(圖1)。在這三種抗性變異中,只有S59G曾在抗草銨膦雜草中有過報道,另兩種均為全新的抗性變異位點。最后,通過精準堿基編輯技術將抗性變異OsGS1-AVPS和OsGS1-SGTA成功引入到主栽品種南粳46中(圖2)。該研究結果表明,通過對作物內源基因進行基因組編輯以實現作物草銨膦抗性改良這一方法是可行的,這將極大地加快未來抗草銨膦作物品種的培育。
圖1 人工定向進化內源基因OsGS1創制獲得的3個耐草銨膦水稻新種質
圖2 抗性變異OsGS1-AVPS和OsGS1-SGTA引入水稻主栽品種南粳46