近日，河南省农业科学院/神农种业实验室张新友院士团队突破花生遗传转化技术瓶颈，利用CRISPR/Cas9单碱基编辑技术率先实现了对花生基因的单碱基替换，创制出抗苯磺隆除草剂的花生新种质，为花生种质资源精准创新提供了新的途径。该项研究成果以“Creation of herbicide-resistance in allotetraploid peanut using CRISPR/Cas9-meditated cytosine base-editing”为题在国际知名学术期刊Plant Biotechnology Journal上发表。
据张新友院士介绍，花生是我国主要油料和经济作物，产量居全球首位，是国产植物油的重要来源和产区农民增收的重要渠道，对保障国家食用油安全和促进乡村产业振兴发挥着重要作用。花生田间杂草种类繁多，危害严重，杂草危害一般可造成花生减产5-20%，严重时达40-60%，必须使用除草剂予以控制，但是除草剂使用不当往往会对花生生长发育产生不良影响，因此培育抗除草剂花生新品种对于有效控制花生田杂草、降低除草剂药害、促进花生规模化种植具有重要意义。尽管基因编辑已被成功应用于水稻、棉花和油菜等多种作物，受限于花生遗传转化效率低下、基因组结构复杂，目前未见花生在该方面的相关报道。
乙酰乳酸合成酶(ALS)是催化缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成起始步骤的关键酶，是目前世界上广泛应用的50多种商用除草剂的作用靶标，喷施ALS类除草剂会降低ALS活性，导致上述氨基酸合成受阻，植物生长受到抑制引起死亡，但是ALS某些特定位点的氨基酸残基改变引起植物对ALS类除草剂敏感度下降，从而产生对ALS类除草剂的抗性。异源四倍体花生中共有4个拷贝的ALS基因，该研究选择AhALS2为突变靶标，构建了适合双子叶植物的胞嘧啶碱基编辑载体，采用基因枪轰击法对花生进行遗传转化，利用CRISPR/Cas9单碱基编辑技术对AhALS2基因的Pro197进行精准编辑，获得了19个突变株系，其中7个株系在AhALS2-A或AhALS2-B发生单基因的单碱基编辑，12个株系在AhALS2-A和AhALS2-B同时发生单碱基编辑，突变类型包括P197S、P197F和P197N，并可稳定遗传，单碱基编辑效率约为3.5%，未发现脱靶现象。
在花生4-6叶期用田间推荐工作浓度的苯磺隆除草剂分别喷施野生型花生、基因编辑的T1和T2代花生，野生型花生于施药后第8天出现药害，15天后彻底死亡，而碱基编辑花生生长不受影响，在除草剂浓度增加至30 mg ai/L(6倍田间推荐工作浓度)条件下仍能健康生长，同时发现除草剂抗性存在突变基因的剂量效应，双基因突变株系相对于单基因突变株系具有更强的除草剂抗性。该研究不仅首次对单碱基编辑在花生中的应用进行了成功的尝试，为花生功能基因研究提供了新方法，同时为培育抗除草剂花生品种创制了新种质。
花生团队石磊副研究员为论文第一作者，张新友院士为通讯作者，该研究在河南省农业科学院/神农种业实验室完成，得到了国家重点研发计划（2022YFD1200400）、河南省重大科技专项（201300111000, 221100110300）、国家花生产业技术体系（CARS-13）和河南省花生产业技术体系（S2012-5）等项目的资助。
文章来源：植物生物技术Pbj
