近日，中国科学院遗传发育所李家洋院士团队在Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“Shaping rice Green Revolution traits by engineering ATG immediate upstream 5′-UTR sequences of OsSBI and OsHTD1”的研究论文。该研究通过对水稻株型控制基因OsSBI或OsHTD1的紧邻ATG起始密码子上游5′-UTR序列(ATG immediate upstream 5′-UTR sequences, AUS)进行设计与引导编辑(prime editing, PE)，实现了目的蛋白的上调或下调并塑造了 “绿色革命”性状，为作物遗传育种或者快速驯化育种提供了新的技术方法。

近期的研究发现，真核生物中紧邻ATG起始密码子上游的5′-UTR序列与基因的翻译效率具有相关性，即高翻译效率基因的AUS通常含有比较多的腺嘌呤，如AAA；低翻译效率基因的AUS通常含有比较多的胸腺嘧啶，如TTT。该研究推测合理设计基因的AUS序列可以上调或者下调目标基因的蛋白水平，从而创制新的等位基因型来改良植物性状。为验证这一设想，该研究以“绿色革命”性状为目标，即矮秆与多分蘖，并选择水稻中的矮秆基因OsSBI (shortened basal internodes)和分蘖基因OsHTD1 (high tillering and dwarf 1)进行研究。首先，利用水稻原生质体双荧光素酶(LUC/REN)报告系统，该研究发现合理设计靶基因的AUS能够对荧光素酶报告基因按照设计发挥相应的调控作用。根据合理设计OsSBI和OsHTD1的AUS，该研究在水稻中利用引导编辑技术创制了在OsSBI AUS中插入三核苷酸AAA和在OsHTD1 AUS中插入三核苷酸TTT的突变体材料。通过对得到的无转基因载体的纯合编辑突变体材料进行研究发现，OsSBI 的AUS中插入三核苷酸AAA使得OsSBIaus突变体中OsSBI蛋白丰度增加，OsHTD1 AUS中插入的三核苷酸TTT使得OsHTD1aus突变体中HTD1蛋白丰度减少，从而使得OsSBIaus和OsHTD1aus植株分别获得了矮化和多分蘖的性状（图1）。

图1: 合理设计与引导编辑改变基因的AUS序列塑造水稻“绿色革命”性状

该论文的第一作者是中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队的博士后王洪文，通讯作者为余泓研究员。中国科学院遗传与发育生物学研究所植物激素平台褚金芳博士和闫吉军博士参与了此研究工作。该研究得到了中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、国家自然科学基金委以及海南优秀人才团队项目的资助。