近日,中國(guó)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(duì)植物中草銨膦靶標(biāo)蛋白GS抗性變異資源稀缺的問(wèn)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(duì)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(diǎn),并借助堿基編輯技術(shù)對(duì)水稻主栽品種南粳46進(jìn)行草銨膦抗性改良。

研究中,針對(duì)OsGS1的編碼區(qū)設(shè)計(jì)獲得102個(gè)sgRNA(41個(gè)具有NGG PAM和61個(gè)具有NGH PAM)；根據(jù)PAM種類(lèi),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(gè)堿基編輯質(zhì)粒庫(kù)。從近4200個(gè)潮霉素抗性愈傷群體中篩選出3個(gè)具有草銨膦抗性的水稻材料,經(jīng)過(guò)sgRNA和靶位點(diǎn)鑒定,獲得三個(gè)全新抗性變異類(lèi)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(yàn)結(jié)果顯示,OsGS1-AVPS、OsGS1-+AF和OsGS1-SGTA確實(shí)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(guò)報(bào)道,另兩種均為全新的抗性變異位點(diǎn)。最后,通過(guò)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(guò)對(duì)作物內(nèi)源基因進(jìn)行基因組編輯以實(shí)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(lái)抗草銨膦作物品種的培育。

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

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