近日,《生物技術通報》在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所周煥斌團隊文章《利用胞嘧啶堿基編輯技術創(chuàng)制耐草甘膦水稻》。本研究獲得的耐草甘膦水稻堿基編輯新種質 OsEPSPS(P177L)為水稻的草甘膦抗性改良和稻田的雜草防治開辟了一條新的途徑。該研究實驗設計清晰,且創(chuàng)新性明顯。通過堿基編輯技術直接對水稻內(nèi)源基因OsEPSPS進行精準編輯,從而獲得了耐草甘膦的水稻材料,這種方法不僅快速安全,而且減少了引入外源基因所帶來的擔憂,有明顯的優(yōu)勢。

水稻作為主要的糧食作物之一,全球一半以上人口以水稻為主食。因此,保障和提高水稻產(chǎn)量和品質將對緩解糧食壓力和保障糧食安全具有十分重要的意義。隨著耕地和農(nóng)業(yè)勞動力的不斷減少以及水資源日益匱乏,水稻的生產(chǎn)栽培方式正逐漸從傳統(tǒng)的移栽向直播轉變和發(fā)展。然而,在直播水稻生產(chǎn)過程中,雜草危害變得日趨頻繁和復雜,嚴重影響水稻的產(chǎn)量和品質。據(jù)統(tǒng)計,在直播系統(tǒng)中雜草危害造成的水稻產(chǎn)量損失超過 80%。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中,雜草管理主要依靠人工除草和水管理,費時費力。與人工除草相比,利用除草劑需要更少的勞動力和資金,而且效率更高,這使得它成為水稻種植中最廣泛采用的方法。

草甘膦是一種廣譜滅生性除草劑,高效且低殘留,雜草不易對其產(chǎn)生抗性,成本較低且易于在環(huán)境中降解,這些因素使草甘膦在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中成為使用最廣泛的除草劑。草甘膦作用于植物體內(nèi)莽草酸途徑的 5- 烯醇丙酮酰莽草酸 -3- 磷酸合酶(EPSPS),干擾 EPSPS 正常酶活功能,阻礙多種蛋白質的正常合成而影響植物的生長發(fā)育,導致死亡。由于莽草酸途徑目前只發(fā)現(xiàn)于植物和微生物中,人和哺乳動物中尚未發(fā)現(xiàn)該途徑,因此相對來說,草甘膦對人和哺乳動物具有一定的安全性。由于草甘膦對水稻同樣具有毒性,在水稻生長期不能直接施用草甘膦除草,所以培育耐草甘膦水稻對于草甘膦用于稻田雜草防治具有重要應用價值。

抗草甘膦作物培育也一直是轉基因育種領域最主要的方向。在實驗室內(nèi),目前已培育獲得大量的抗草甘膦轉基因水稻,但是由于公眾對轉基因作物的安全顧慮而推廣不易。近年來新興發(fā)展起來的基因組編輯技術則為培育新型水稻抗除草劑材料提供了一條新的思路。借鑒雜草中因除草劑靶標基因發(fā)生點突變從而產(chǎn)生抗藥性的原理,研究人員利用堿基編輯技術修飾改造作物中的除草劑靶標基因,獲得了無轉基因成分的除草劑抗性作物新種質。堿基編輯技術的原理主要為 ：由切口酶 Cas9n(即 Cas9(D10A)) 和 堿 基 脫 氨 酶 組 成 的 堿 基 編 輯 器, 在sgRNA 引導下結合在基因組靶位點,此時堿基脫氨酶可將編輯活性窗口內(nèi)的靶堿基進行脫氨形成新嘌呤或嘧啶。目前植物中已建立了兩類堿基編輯技術,分別是實現(xiàn)堿基對 C:G 向 T:A 轉換的胞嘧啶堿基編輯技術、堿基對 T:A 向 C:G 轉換的腺嘌呤堿基編輯技術。研究人員通過利用胞嘧啶堿基編輯技術對水稻、小麥和西瓜等作物內(nèi)源的 ALS 抑制劑類除草劑靶標基因 ALS 進行編輯,成功獲得了具有雙草醚抗性的水稻 OsALS(P171F)、煙嘧磺隆抗性的小麥 TaALS(P194F)和苯磺隆抗性的西瓜ClALS(P190S)等材料；此外,利用腺嘌呤堿基編輯技術分別對水稻內(nèi)源 OsACCase 和 OsTub2A 進行編輯,從而分別獲得具有氟吡甲禾靈抗性和二硝基苯胺類除草劑抗性的水稻。

雜草能夠對水稻的生長產(chǎn)生不利影響,雜草不僅爭奪水稻的水分和養(yǎng)分,而且還是傳播病原菌的重要媒介,因此消滅雜草無疑是水稻種植過程中的重要田間管理措施。盡管除草劑的使用極大的提高了勞動效率,但是由于草甘膦對水稻的毒性作用,導致其不能直接應用于水稻田中。因此將草甘膦應用于稻田中的雜草防治一直以來是一個難題。而通過創(chuàng)制耐草甘膦的水稻種質資源,是經(jīng)濟有效的解決方式。

目前創(chuàng)制抗除草劑作物主要有以下 3 個主要途徑 ：修飾除草劑靶蛋白以抑制其對除草劑的親和力 ；提高除草劑靶蛋白的表達量以維持其功能 ；引入或增加除草劑解毒蛋白,保護靶蛋白免受危害。而第一種方法無疑是直接有效的方法,也是創(chuàng)制抗草甘膦水稻中應用最為廣泛的途徑,然而這種方法并不能阻止草甘膦在植物體內(nèi)的轉運和積累。目前,創(chuàng)制抗草甘膦水稻的研究中大多數(shù)利用的是引入微生物的外源基因,例如 I.variabilis-EPSPS*,然而其還沒有商業(yè)化推廣的條件。

本研究利用胞嘧啶堿基編輯系統(tǒng) rBE22 對水稻內(nèi)源草甘膦靶標基因 OsEPSPS 進行堿基定向替換,成功創(chuàng)制獲得了對草甘膦具有耐受性且經(jīng)濟性狀不受影響的水稻新種質 OsEPSPS(P177L)。