在过去的二十年中，科学家们在水稻中鉴定或克隆了许多控制重要农艺性状的基因。然而，大多数这些基因的鉴定仅限于特定品种或单基因突变的背景中，严重限制了它们在实际生产中的应用。许多重要的农艺性状，如株型、生育期和品质，往往受到多个基因座的加性效应和遗传相互作用的综合影响。随着基因编辑技术的发展，使得复杂农艺性状的快速改良成为可能。以抽穗期和株型改良为例，目前的策略通常涉及大量创造表达差异突变体或基因敲除突变组合来筛选。然而，这些方法需要大量的遗传转化和检测鉴定工作。因此，如何将基因编辑和田间育种技术相结合，以实现快速、高效地定向改良目标性状，是未来生物育种的重要方向。

2024年5月27日，PBJ在线发表了福建省农业科学院水稻研究所张建福研究员、谢华安院士团队题为“Multiplex-genome-editing based rapid directional improvement of complex traits in rice”的研究论文。该研究开发了一个优化的多重基因组编辑（MGE）工具箱，基于这个工具箱，设计了一种面向作物快速定向改良的新策略（MGE-based Rapid Directional Improvement ，MRDI），用于复杂农艺性状的快速改良。该策略结合多重基因编辑和杂交育种技术，提供了从多重sgRNA组装、无转基因筛选到优异种质创造的全套流程，仅通过单次载体转化，一次性创制了4000多种遗传变异组合，在短短两年内获得多个遗传稳定、突变特异的早熟株系（图1）。

图1快速定向改良策略MRDI用于改良水稻生育期

为了同时敲除12个基因并获得隐性突变体，研究团队进行了不同粘端组合的比较，并优化了sgRNA盒的组装效率。通过优化的金门连接方法，成功地组装了多达16个sgRNA，确保了多靶点元件的表达水平和敲除效率的稳定性。为了通过MRDI策略改善抽穗期和综合性状，选择了正负调控抽穗期和株型的基因，并设计了相应的敲除靶点。随后，将这些sgRNAs组装到一个单一的双元载体中，命名为“12A”，以一次性敲除水稻中的这12个基因（见图2）。同时，将这12个基因分成两组，并构建了一对包含6个基因的载体，分别命名为6A和6B。通过遗传转化，成功获得了相应的多基因纯合突变植株。（图2）。

图2. 6基因与12基因突变位点特异性分析

随后，在长日照条件下分别种植并调查了 6A/FXZ 和 12A/FXZ 两个 F 2群体。F2群体覆盖长达40天的抽穗期变异，同时存在株型和穗型的变异材料（图3）。通过对后代材料的稻瘟病和米质进行鉴定，结果表明大部分多基因编辑后代材料保持福香占的优异品质和稻瘟病抗性。目前，已选育出多个早熟、株叶态好，兼具稳产、抗性、优质表现的新种质。（图1e）。

图3. 12基因与6基因F2群体的抽穗期变异

通过对稳定株系的表型和基因型进行调查，我们进一步分析了关联基因的遗传互作。结果显示，多个基因模块之间存在着强烈的遗传互作。其中，dth2基因对延迟抽穗水稻的产量具有中等程度的正向效应，并且能够减轻因DTH7、DTH8和Ghd7缺失而导致的产量损失（见图4）。相比DTH2，Ef7的敲除具有更强的感光效应（图4）。因此，MRDI策略可以用于研究复杂性状调控网络中基因之间的互作关系。

图4：携带dth2或ef7纯合子等位基因F_3:4代植株表型

同时，采用全基因组测序（WGS）技术对3种多基因编辑材料和2个F4株系（12A/WT）进行结构变异（SV）、核苷酸突变（SNV）和插入缺失（indel）进行检测。通过生物信息学分析，多基因编辑并没有引起基因组中结构变异的显著改变，且基因编辑引起的SNVs和indels没有显著增加（图5）。以上结果表明，MRDI能够获得突变特异且稳定遗传的新材料，是一种高效的定向改良策略。

图5： 多重编辑植物中结构基因组变异分析

福建省农业科学院水稻研究所魏毅东副研究员、福建农林大学张浩敏博士生、福建农林大学樊佳星硕士生为本文共同第一作者；张建福研究员为论文通讯作者。在研究过程中，中国农业大学陈其军教授、中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究员、华南农业大学刘耀光院士、中国农业科学院深圳农业基因组研究所武志强教授和陈凯教授给予了帮助和指导。该项研究得到福建省自然科学基金、国家现代农业水稻产业技术体系、福建省科技重大专项等项目的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1111/pbi.14375

文章来源：植物生物技术Pbj