近日，澳大利亚技术科学与工程院院士、莫道克大学李承道教授和塔斯马尼亚大学周美学教授联合中国农业科学院作科所，在植物科学国际权威杂志Plant Biotechnology Journal (影响因子 13.263) 在线发表题为“New semi-dwarfing alleles with increased coleoptile length by gene editing of gibberellin 3-oxidase 1 using CRISPR-Cas9 in barley (Hordeum vulgare L.)”研究论文。该研究为“绿色革命”后在气候变暖环境下进一步提高作物产量提供了新基因和新思路。

上世纪60年代，半矮秆育种主导的“绿色革命”主要通过调控植物激素赤霉素（GA）的代谢和信号传导提高作物产量。GA 作用于高等植物的整个生命周期, 除降低株高以外，GA半矮秆突变体通过增加有效穗数和收获指数提高产量，但导致开花期推迟和胚芽鞘缩短。随着气候条件的变化，干旱和高温频率逐步增加，传统的“绿色革命”半矮秆基因导致株高过矮不适于机械化收获，并且过短胚芽鞘在干旱条件下影响发芽从而导致产量降低。生产上迫切需要新的半矮秆基因培育适合气候变化条件下的新品种。该研究利用世界范围内的大麦品种资源，通过大规模田间试验和全基因组关联分析发现一个新的半矮秆基因。该基因编码赤霉素3-氧化酶1(GA3ox1), 一个赤霉素合成途径的关键调控酶。在632份品种组成的自然群体中， 通过对GA3ox1基因的单核苷酸多态性(SNP)和插入缺失标记(InDel)突变进行单倍型分析，随后利用CRISPR/Cas9技术精确编辑了大麦栽培品种Vlamingh。然后通过比较CRISPR/Cas9编辑产生的几个GA3ox1突变体，研究了GA3ox1基因对于关键农艺性状和代谢途径产生的影响。

图1：CRISPR/Cas9编辑的3个突变体和ga3ox1突变体与对照植株的株高差异

图2：ga3ox1突变体与对照之间发芽率，根长以及胚芽鞘长度差异

图3：RNA测序数据的分析揭示ga3ox1突变体与对照之间参与类胡萝卜素，脱落酸和淀粉合成途径中的差异基因

现有的半矮秆基因通常降低株高20-30cm，在干旱条件下株高过低。该研究发现的一个天然GA3ox1单倍型使得株高降低了5-10cm. 随后，通过CRIPSR/Cas9技术获得基因编辑ga3ox1不同大麦植株(ga3ox1-1, 4bp缺失; ga3ox1-2, 8bp缺失 和ga3ox1-3 , 268bp缺失)。通过与对照比较，发现GA3ox1突变后的大麦株高降低 (图1)，而穗长，分蘖数和每穗粒数等产量相关的农艺性状没有显著变化。同时，不同的突变位点对降低株高产生不同的效应，268bp缺失比4bp和8bp缺失展示出更明显的表型。这些突变体为培育不同环境条件下高产大麦品种提供了宝贵的遗传资源。此外，与对照相比，活性GA水平在突变系ga3ox1-1的授粉后10天与15天后的幼胚中显著降低。

该研究还发现GA3ox1突变使得胚芽鞘平均长度增加了8.2mm (图2)，与传统的“绿色革命”半矮秆基因胚芽鞘变短形成鲜明对照。新突变体增加了品种的气候适应性，同时延长了种子的休眠期但不会降低种子的发芽活性，从而避免穗发芽问题而有利于啤酒产业的发展。RNA测序结果表明GA3ox1通过调控类胡萝卜素，脱落酸和淀粉合成途径影响胚芽鞘长度和种子休眠 (图3)。以上研究表明GA3ox1基因为作物育种提供了一个新的能够适应全球气候变化的新基因，为培育大麦适应于不同的环境条件下具有最佳株高，更长胚芽鞘和其它优异农艺性状的基因资源提供了新思路，也同时为调控胚芽鞘长度和休眠期提供理论支撑。

塔斯马尼亚大学博士生程婧晔为论文的第一作者，莫道克大学李承道教授、中国农业科学院王轲副研究员和塔斯马尼亚大学周美学教授为本文的共同通讯作者。中国农业科学院叶兴国研究员和郭刚刚研究员，莫道克大学韩勇研究员与何田华研究员参与了此项研究。本研究得到了Grain Research and Development Corporation (GRDC)和国家留学基金等项目的资助。

文章来源：植物生物技术Pbj