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抗草銨膦水稻新種質(zhì)創(chuàng)制！中國農(nóng)科院利用堿基編輯技術(shù)對水稻主栽品種進(jìn)行草銨膦抗性改良。

責(zé)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(xù)發(fā)展中占有十分重要的地位。而稻田草害嚴(yán)重影響水稻產(chǎn)量和品質(zhì),特別是近年來由于栽培方式改變(直播水稻的推廣)、農(nóng)村勞動力缺乏、除草劑不合理使用等原因,導(dǎo)致我國稻田雜草危害加重,難治雜草凸顯,抗藥性產(chǎn)生迅速,藥害發(fā)生頻繁?；瘜W(xué)防治和除草劑抗性品種結(jié)合使用是目前實際生產(chǎn)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(xué)防治效果,減少用藥量和簡化防治措施,最終保障水稻的優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)。廣譜滅生性除草劑草銨膦因高效和不易導(dǎo)致雜草產(chǎn)生抗藥性已被廣泛用于非耕地的雜草防控。因此創(chuàng)制和培育具有草銨膦抗性的內(nèi)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(chǎn)優(yōu)質(zhì)具有非常重要的意義。然而,目前對草銨膦靶標(biāo)蛋白GS的抗性變異信息還知之甚少,導(dǎo)致抗草銨膦內(nèi)源基因修飾水稻新種質(zhì)創(chuàng)制還十分滯后。


近日,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所與農(nóng)業(yè)基因組研究所合作在The Crop Journal在線發(fā)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(biāo)蛋白GS抗性變異資源稀缺的問題,作者利用堿基編輯介導(dǎo)的基因定向進(jìn)化技術(shù)(BEMGE)對水稻內(nèi)源基因OsGS1進(jìn)行人工進(jìn)化,創(chuàng)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(shù)對水稻主栽品種南粳46進(jìn)行草銨膦抗性改良。


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研究中,針對OsGS1的編碼區(qū)設(shè)計獲得102個sgRNA(41個具有NGG PAM和61個具有NGH PAM)；根據(jù)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(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化的四個堿基編輯質(zhì)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(jīng)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(fā)和草銨膦(田間推薦劑量)噴施試驗結(jié)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(zhǔn)堿基編輯技術(shù)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(jié)果表明,通過對作物內(nèi)源基因進(jìn)行基因組編輯以實現(xiàn)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。


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圖1 人工定向進(jìn)化內(nèi)源基因OsGS1創(chuàng)制獲得的3個耐草銨膦水稻新種質(zhì)


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圖2 抗性變異OsGS1-AVPS和OsGS1-SGTA引入水稻主栽品種南粳46

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