基因编辑及全基因组选择技术在水稻育种中的应用展望.pdf
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1、中国水稻科学(Chin J Rice Sci),2024,38(1):112 http:/ 1 DOI:10.16819/j.1001-7216.2024.230503 基因编辑及全基因组选择技术在水稻育种中的应用展望 梁楚炎1,2 巫明明2 黄凤明1,2 翟荣荣2 叶靖2 朱国富2 俞法明2 张小明2 叶胜海2,*(1中国计量大学 生命科学学院,杭州 310018;2浙江省农业科学院 作物与核技术利用研究所,杭州 310021;*通信联系人,email:)Prospects for the Application of Gene Editing and Genomic Selection i
2、n Rice Breeding LIANG Chuyan1,2,WU Mingming2,HUANG Fengming1,2,ZHAI Rongrong2,YE Jing2,ZHU Guofu2,YU Faming2,ZHANG Xiaoming2,YE Shenghai2,*(1 College of Life Science,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China;2 Institute of Crop and Nuclear Technology Utilization,Zhejiang Academy of Agricultural
3、 Science,Hangzhou 310021,China;*Corresponding author,email:)Abstract:Rice is the main grain crop in China.Due to large population and limited land resources in China,rice breeding goals have long been yield oriented.Chinese researchers have continuously achieved breakthroughs in rice breeding techno
4、logy,and the adoption of dwarf breeding and hybrid rice breeding technology has resulted in two significant leaps in rice yield in China.However,with the improvement of living standards and the increasing frequency of extreme weather events,higher demands have been placed on rice in terms of yield,q
5、uality,and resistance.At present,biotechnology is undergoing constant innovation,particularly with the rapid development of gene editing and genomic selection breeding technology.This progress is expected to provide robust support for the development of new rice varieties with high yield,superior qu
6、ality,and resistance to multiple factors.It helps promote the green and sustainable development of rice production.This paper reviews the recent advancements in gene editing technology and genomic selection technology in rice breeding for high yield,superior quality,disease and insect resistance,str
7、ess tolerance,and heterosis.The goal is to provide breeding strategies for the efficient development of new varieties to meet demands.Key words:rice;breeding techniques;gene editing;genomic selection 摘 要:水稻是我国主要的粮食作物。由于我国人多地少的现状,长期以来水稻的育种目标是以产量为导向。我国科研人员通过协同攻关实现了水稻育种技术突破,矮化育种和杂交水稻育种技术的利用促进了水稻产量两次大的飞
8、跃。随着我国消费者生活水平的提高以及极端天气出现的频次上升,水稻育种对品质、抗性与耐逆等也提出了更高要求。目前,生物技术正在不断革新,特别是基因编辑和全基因组选择育种技术的迅速发展,为高产优质多抗耐逆的水稻新品种选育提供强有力支持,推动着我国水稻生产向绿色可持续发展。本文就基因编辑技术和全基因组选择技术在水稻高产优质、抗病虫、耐逆及杂种优势育种应用中的新进展进行简述,旨在为高效培育能够满足市场需求的水稻新品种提供一些育种思路。关键词:水稻;育种技术;基因编辑;全基因组选择 我国水稻育种目标长期以产量为导向。20 世纪 50 年代末黄耀祥成功选育“广场矮”,促使水稻育种步入矮化育种时代,水稻单产
9、提高了约20%;袁隆平发现野败型不育株,开创了“第一代杂交水稻技术”,即三系法,利用细胞质雄性不育(cytoplasmic male sterility,CMS)的育种系统进一步提升了水稻的单产和总产;随后研发“第二代杂交水稻技术”,即两系法,开创了隐性光/温敏雄性不育的育种系统(photoperiod/thermo-sensitive genic male sterile,PTGMS)。目前,以遗传工程结合基因工程手段的“第三代杂交水稻技 术”,即 利 用 OsNP1 突 变 致 使 雄 性 不 育(nuclear male sterile,NMS)构建的育种系统也已成熟。依据杂种优势理论,
10、近年来“籼母粳收稿日期:2023-05-11;修改稿收到日期:2023-07-18。基金项目:浙江省水稻新品种选育重大科技专项(2021C02063-5);海南省重点研发计划资助项目(ZDYF2023XDNY086);浙江省部共建农产品质量安全危害因子与风险防控国家重点实验室开放课题资助项目(2010DS700124);浙江省“尖兵领雁”研发攻关计划资助项目(2023C02055、2022C02034)。2 中国水稻科学(Chin J Rice Sci)第 38 卷第 1 期(2024 年 1 月)父”和“粳母籼父”亚种间杂交水稻育种较好地解决了不亲和的技术难点,使新品种(组合)培育取得了新的
11、突破,甬优系列、浙粳优系列等一批超高产籼粳杂交稻品种在生产上得到了广泛应用1-3。在国家科技计划的支持下,我国科学家在水稻高产优质、抗病虫、耐逆等基因功能方面开展了广泛研究,储备了大量重要基因和相关种质资源,为生命科学前沿问题与育种实践有机结合的分子模块设计育种奠定了坚实基础。前期,育种家利用分子标记辅助选择育种技术定向筛选含目标基因的新品系,培育新品种,如香型高产优质、综合抗性好的宁香粳 9 号,半糯性兼具条纹叶枯病抗性的南粳 9108,具有多个稻瘟病抗性基因和Bph3 褐飞虱抗性基因的浙粳 99 等。另外,育种家利用转基因育种技术定向改良目标性状培育出新品系,如耐除草剂株系、水稻胚乳富含花
12、青素的“紫晶米”、高抗条纹病的株系、“黄金大米”等4-7。转基因育种的发展,为后续基因编辑育种奠定扎实基础。国际农业生物技术应用服务组织(ISAAA)转基因产品审批数据库显示,在已批准商品化种植转基因作物的主要国家中,转基因作物种植比例已经接近饱和,性状集中在抗虫和耐除草剂。以“华恢 1 号”、“Bt 汕优 63”为代表的抗病虫、耐逆优质转基因水稻,在 2009 年获得了安全证书,说明我国转基因水稻技术完全成熟,具备自主创新能力及产业化条件。但 20102013 年间出于对转基因安全性的考虑,国家转基因政策趋向保守,致使我国水稻转基因产业化处于停滞阶段。生物育种是培养优良生物的生物学技术,水稻
13、育种由 1.0 时代的人工驯化(水稻矮化选育)、2.0 时代的传统育种(杂种优势利用)到 3.0 时代的分子标记辅助育种和转基因育种,技术的不断进步与突破,使水稻产量得到大幅度提高,而基因编辑技术和全基因组选择技术等生物技术也正在与传统育种、大数据、人工智能等技术进行融合,推动着水稻生物育种技术的变革8。如今,在例如乌俄冲突等国际复杂环境和国内极端高/低温、干旱等自然灾害方面频发的情况下,我国在实现粮食自给可控,提升农业全球竞争力等方面面临诸多严峻挑战。20212023 年中央一号文件均提及生物育种的重要性,有望推动我国生物育种技术的应用,以确保我国种子及粮食安全,改变当前我国处于以杂交选育为
14、主、前沿生物育种技术未大量投入水稻实际生产应用的 2.0 阶段育种局面。基因编辑育种及全基因组选择育种作为生物育种技术的重要组成,是当前水稻育种技术受关注重点。前者在近十年的研究中已积累大量经验,后者也初有成果。因此,本文就基因编辑技术和全基因组选择技术在水稻高产优质、抗病虫、耐逆、杂交优势利用方面的一些新进展进行简述,旨在为水稻产量和质量的进一步提升提供一些思路。1 水稻基因编辑技术和水稻全基因组选择技术 水稻基因编辑育种可以获得不含外源 DNA 的遗传变异植株。基因编辑技术的迭代是从锌指核酸酶(ZFNs)到转录激活样效应因子核酸酶(TALENs),再到 CRISPR/Cas9 高效基因编辑
15、系统9-10。这些技术应用于水稻基因编辑可获得不含外源 DNA 的遗传变异植株。基于 CRISPR 又发展出碱基编辑器(Base Editor,BE)、引导编辑器(Prime Editor,PE)等技术11-12。融合胞苷脱氨酶的碱基编辑,可以在不断裂 dsDNA 前提下实现单碱基 CT(或 GA)的取代,应用于编辑OsEPSPS 基因后可获得耐草甘膦新种质13。随后各类碱基编辑器接踵而至,如各具特点的腺嘌呤单碱基编辑器(A/TG/C)、糖基化酶单碱基编辑器(CG 互换)、双碱基编辑器(CG/TA 同时互换)等。2019 年报道的引导编辑器(PE 系统)融合了逆转录酶,并在 sgRNA 3末端
16、引入逆转录模板、引物结合位点序列,经不断优化后建立了适用于植物的引导编辑系统(Plant Prime Editing,PPE)并成功应用于水稻14。2023 年朱健康团队采用定向寡核苷酸介导靶向敲入(DOTI)技术,实现了对内源蛋白的高效检测。在水稻 Xa23 基因启 动 子 区 域 靶 向 敲 入 顺 式 元 件(AvrXa7/PthXo3EBE元件或 TalC EBE元件),获得了对特定白叶枯病菌株具有抗性的水稻植株,实现了该基因编辑系统在育种中的应用15。近十年来,随着基因编辑技术的逐渐成熟,种植两代即可获得稳定性状的个体,为水稻性状改良提供了高效精确的诱变手段,在缩短育种周期、培育综合
17、抗性强的水稻品系方面具有重要作用,并在基因研究等方面展示出巨大的潜力。此外,多靶标编辑还可以实现复杂性状的定向改良16。全基因组选择育种(genomic-wide selection breeding)通过收集分析不同自交系相互配组产生梁楚炎等:基因编辑及全基因组选择技术在水稻育种中的应用展望 3 的训练群体(training population,TP)的表型与基因型数据,能够建立起表型与基因型关联模型,进而通过该模型计算预测群体的预估育种值(genomic estimated breeding value,GEBV),有利于利用大量全基因组标记结合表型数据建立模型,在全基因组范围预测目标性
18、状在新品系中的潜能,分析遗传变异数据预测该性状的表型及选择后代品系优良的杂交亲本组合,在早期就可以实现个体表型预测和选择,减少育种工作量,缩短育种周期。与分子标记辅助选择育种相比,全基因组选择在多基因调控的数量性状上具有更高的效率,在实际应用中,不受常规种或杂交种的限制17。Vincent 等18发现水稻超过 90%抽穗期表型变异可以通过构建模型进行预测。He 等19利用1999 份水稻种质材料对 6 种不同性状的进行表型测定,证实了在籼稻和粳稻两个亚种内部的各亚群间,以及籼稻与粳稻两个亚种间构建复合训练群体的可行性。在对 575 份材料(2 054 293 个SNP)进行全基因组选择时发现,
19、只需 SNP 的数据量达到 5000,预测准确性即可达到峰值20。此外,全基因组选择育种仅涉及低成本的高通量分子标记、精准的基因效应分析模型和准确的性状测定17,相较于其他前沿育种技术,该育种技术并未在生物安全性方面引发争议。目前,全基因组选择育种应用主要集中在家禽、家畜上,在玉米、小麦上的报道也较多,但在水稻上的研究应用尚不多见。2 前沿生物育种技术在水稻高产优质方面的研究应用 2.1 基因编辑技术 水稻株型、穗型和粒型是与产量相关的重要性状,目前已有不少实例证明基因编辑技术可以用于这些重要性状的改良。例如,编辑理想株型基因 IPA1 顺式调控区,获得 54 bp 缺失的品系IPA1-Pro
20、10,定向改良株型与穗型,使水稻产量增加 15.9%21。通过编辑生长素运输基因 SD8 改良株型,实现在密植条件下水稻产量的提高22。在穗型和粒型方 面,OsKRN2 与功能 未 知 基 因DUF1644 协同调控穗分枝,负调控籽粒数,敲除OsKRN2 可在不影响其他农艺性状的前提下增产约823。OsMADS17 是一个同时调控穗粒数和粒重的关键基因,并参与调控 OsAP2-39 的表达。OsMADS17 5UTR 区域缺失 65 bp 片段,可使其mRNA 翻译效率降低,导致穗粒数和粒重增加,产量提高24。多靶标敲除粒重主要基因 GW2、GW5、TGW6,突变体粒重增加25。多靶标敲除穗长
21、基因 OsPIN5b、籽粒大小基因 GS3 及耐寒基因OsMYB30,可获得兼具耐冷性的新型高产水稻资源26。基因编辑在探究多效性基因、解析多基因联动调控水稻产量的机理方面有着较好的效果,如 sg2(small grain2)基因的纯合敲除株系的株型、穗型及粒型均有新的表型 27。GBSS(Wx)是引起水稻中直链淀粉含量不同的关键因子,OsGBSS受 Wxb第 1 内含子调控。Wxb第 1内含子中一个 G突变成 T以及高温胁迫两种情况均可以导致其剪接效率和 GBSS蛋白含量降低,影响稻谷品质28-29。万建民院士团队发现编辑 Dull 基因,胚乳中 Wx 的 pre-mRNA剪接、部分 miR
22、NA 加工受影响,降低 Wxb第 1 内含子剪接效率,GBSS活性降低30。此外,通过编辑 Wxb第 1 内含子,使稻米直链淀粉含量提升约 1131;编辑 Wxb核心启动子 TATA 盒,可获得多个微调直链淀粉含量的新 Wx 等位基因32;刘耀光院士团队通过编辑 Wxa 5UTR 内含子剪接点,使籽粒直链淀粉含量降低了约 10%,成功创制出软米新种质33。高彩霞团队编辑 Wxb N-末端结构域,获得了一系列具有低直链淀粉含量(1.4%11.9%)的突变体34。水稻籽粒主要成分为淀粉,人体摄取普通淀粉极易快速吸收转化为血糖,进而诱发敏感人群的相关疾病。普通大米抗性淀粉通常低于1%,如何提高抗性淀
23、粉含量,是水稻优质改良的另一重要研究方向。对 SS3a、SS3b 进行单敲及共敲除,ss3a 单敲突变体抗性淀粉显著增加至4.7%5.0%,可消化淀粉含量及消化速率均大幅度降低,双敲突变体进一步表现出显著差异,抗性淀粉增含量至 9.5%9.7%,创制出新的营养健康型水稻种质35。水稻香味是优质水稻的评判点之一,胡培松团队编辑 OsBADH2,获得了香味主要化合物 2-乙酰-1-吡咯啉(2-AP)显著积累的水稻新种质36。稻米蛋白质含量影响稻米的食味品质。Yang等37利用 CRISPR/Cas9 对谷蛋白基因家族中高表达的 8 个基因进行同时敲除,获得 7 种不同基因突变组合的突变体。在不影响
24、其他储藏物质含量及各项农艺性状、稻米外观等的情况下,稻米蛋白含量均不同程度下调。此外,对 DEP1 定点编辑发现该蛋白 C 端的长度可以平衡稻米品质与产量之间的关系,较长的 C 端利于品质的提升,较短的4 中国水稻科学(Chin J Rice Sci)第 38 卷第 1 期(2024 年 1 月)C 端利于产量的提高,通过靶向编辑 DEP1 基因可以协同改良稻米品质与产量,从而实现稻米 的优质高产38。2.2 全基因组选择技术 全基因组选择对水稻产量相关性状具有较强的预测能力。选取产量、籽粒形态及生物量相关的 7 个性状构建模型,对全基因预测准确性进行评估,发现在高遗传力的性状上全基因组预测的
25、准确性较高,例如粒长、粒宽39。在颖花长度、抽穗期及穗长方面,对 475 份水稻材料采用两种预测模型进行预测验证,这三个性状的预测值均大于 0.5,具有较好的预测准确性40。通过利用国际水稻研究所 363 份优良水稻品种构建产量、株高和开花时间预测模型,预测结果与实际验收数据间无显著差异41。张启发院士团队首次使用标记推断的亲属关系矩阵对杂交后代的产量和千粒重潜力进行预测。利用重组自交系随机选取的 278 个组合作为训练群体,结合经典的 GBLUP模型对 21 945 份杂交材料产量相关性状进行预测,显示有 100 份杂交组合的预测产量超平均产量的 16%42。基于国际水稻研究所 3 024
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