近日，美國密蘇里拜耳作物科學科研總部研究團隊陳余榮博士和Edward Cargill 博士為共同通訊作者在aBIOTECH發(fā)表了題為″Simultaneous Genetic Transformation and Genome Editing of Mixed Lines in Soybean (Glycine max) and Maize (Zea mays)″的研究論文，報道了一種混合品系轉(zhuǎn)化和編輯的方法，能對大豆和玉米中的許多優(yōu)良基因型同時進行轉(zhuǎn)化和編輯。

該研究報告了一種在種子胚外植體生產(chǎn)之前通過混合品系（基因型）同時轉(zhuǎn)化和編輯多個基因型的方法，稱為混合品系轉(zhuǎn)化和編輯(Transformation and Editing of Mixed lines, TREDMIL)。在這種方法中，許多品系在生產(chǎn)種子胚外植體之前進行混合，然后利用基因組編輯技術，對混合品系進行轉(zhuǎn)化，通過共表達大豆Dt1特異性或玉米Bm3特異性CRISPR RNAs（crRNAs）和核酸酶Cas12a，在目標基因區(qū)域產(chǎn)生插入缺失。再生后，通過基因型鑒定解碼品系身份，并通過擴增子測序驗證編輯結(jié)果。

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

通過對再生事件的基因型鑒定，作者發(fā)現(xiàn) 104 個優(yōu)良大豆基因型中同時轉(zhuǎn)化的占97%（101個），并且恢復的轉(zhuǎn)化子分布在從 00 到VII的不同成熟群(MG)中。同樣，在40個優(yōu)良玉米自交系中，有55%(22個)同時轉(zhuǎn)化，并且這些轉(zhuǎn)化子分布在從92-117的不同的相對成熟度(RM)。利用擴增子測序，在所有的101個大豆轉(zhuǎn)化品系中，在目標靶點 Dt1 的編輯達到 94%，超過 80% 的轉(zhuǎn)化大豆品系產(chǎn)生了該品系 90% 以上的編輯事件。同樣，在玉米轉(zhuǎn)化品系中，目標靶點 Bm3 的編輯達到 69%，涉及 22 個轉(zhuǎn)化雌性自交系中的 17 個。這些結(jié)果表明，可以利用種子胚胎轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進行高效、基因型靈活的轉(zhuǎn)化和基因組編輯。

▲ Fig.2  Distribution of distinct edits across maize and soybean

延伸

CRISPR/Cas基因組編輯技術因其強大的功能已成為作物育種的有力工具，為農(nóng)業(yè)領域帶來了革命性的變化。這項技術不僅能夠?qū)崿F(xiàn)基因的精確修改，還能結(jié)合基因型靈活的植物轉(zhuǎn)化方法，在理論上于一個物種不同種質(zhì)的任意位置創(chuàng)造目標變異。然而，盡管基因組編輯技術本身發(fā)展迅速，植物轉(zhuǎn)化技術的發(fā)展相對落后，這在一定程度上限制了基因編輯技術在作物育種中的廣泛應用。

植物轉(zhuǎn)化技術的發(fā)展歷程

自20世紀80年代中期科學家首次成功進行植物轉(zhuǎn)化以來，該技術已經(jīng)取得了顯著的進步。從最初的懸浮培養(yǎng)到愈傷組織培養(yǎng)，再到未成熟胚的演變，植物轉(zhuǎn)化技術不斷優(yōu)化。近年來，通過使用發(fā)育調(diào)節(jié)因子如BBM、WUS，以及生長調(diào)節(jié)因子GRFs和GRF-相互作用因子GIF、GRF-GIF嵌合體等，科學家們已經(jīng)能夠促進體細胞胚胎發(fā)生，改善一些單子葉物種和雙子葉物種的再生能力，使難轉(zhuǎn)化基因型的轉(zhuǎn)化更加成功。盡管如此，這些方法仍存在一定的局限性，需要進一步的創(chuàng)新和改進。

TREDMIL技術的創(chuàng)新與突破

美國密蘇里拜耳作物科學科研總部的研究團隊在aBIOTECH發(fā)表的研究論文中，介紹了一種創(chuàng)新的混合品系轉(zhuǎn)化和編輯(TREDMIL)方法。這種方法在種子胚外植體生產(chǎn)之前，將多個不同基因型的植物混合在一起進行轉(zhuǎn)化和編輯。通過共表達大豆Dt1特異性或玉米Bm3特異性CRISPR RNAs（crRNAs）和核酸酶Cas12a，在目標基因區(qū)域產(chǎn)生插入缺失。再生后，通過基因型鑒定解碼品系身份，并通過擴增子測序驗證編輯結(jié)果。

TREDMIL技術的成功實施，展示了其在作物育種中的多方面優(yōu)勢。首先，它能夠同時對多個基因型進行轉(zhuǎn)化和編輯，大大提高了育種的效率。其次，該方法適用于各種不同的基因型，包括那些難以轉(zhuǎn)化的基因型。此外，通過基因型鑒定和擴增子測序，可以確保每個品系都能被準確識別，并驗證編輯結(jié)果的準確性。

TREDMIL技術的應用成果

通過對再生事件的基因型鑒定，研究人員發(fā)現(xiàn)，在104個優(yōu)良大豆基因型中，有97%（101個）同時轉(zhuǎn)化，并且在40個優(yōu)良玉米自交系中，有55%（22個）同時轉(zhuǎn)化。這些轉(zhuǎn)化子分布在不同的成熟群和相對成熟度中，顯示出基因型靈活性。在所有101個大豆轉(zhuǎn)化品系中，目標靶點Dt1的編輯達到94%，而在玉米轉(zhuǎn)化品系中，目標靶點Bm3的編輯達到69%。這些結(jié)果表明，TREDMIL技術能夠?qū)崿F(xiàn)高效、基因型靈活的轉(zhuǎn)化和基因組編輯。

編輯特征的多樣性與育種意義

進一步的研究表明，在不同種質(zhì)資源中產(chǎn)生的大量編輯譜可以促進基因組發(fā)現(xiàn)。例如，在大豆的98種不同基因型中，有45%的編輯事件檢測到Dt-1389位點的7個堿基缺失，而在玉米中，有65%的編輯事件在Bm3-2070位點存在明顯的3個堿基缺失。這種編輯特征的多樣性為育種者提供了寶貴的信息，有助于在育種計劃的早期評估種質(zhì)-編輯事件相互作用，從而做出更明智的育種決策。

精準育種的未來展望

TREDMIL技術的應用，預示著精準育種時代的來臨。通過這種方法，育種者可以加速新品種的開發(fā)，應對全球糧食安全和環(huán)境挑戰(zhàn)，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。隨著技術的不斷進步和優(yōu)化，我們有理由相信，未來的作物育種將更加高效、精準，能夠更好地滿足人類對健康、可持續(xù)食品的需求。

結(jié)論

CRISPR/Cas基因組編輯技術，尤其是TREDMIL方法的提出，為作物育種帶來了革命性的變化。它不僅提高了育種的效率和精確性，還為解決全球糧食安全和環(huán)境挑戰(zhàn)提供了新的工具。隨著技術的不斷進步和優(yōu)化，我們期待在未來的作物育種中看到更多創(chuàng)新和突破，以實現(xiàn)更高效、更精準的作物改良，滿足人類對健康、可持續(xù)食品的不斷增長的需求。

來源：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