我国干旱和半干旱地区约占国土面积50%以上，其人工林成活率、保存率低于30%；盐碱地总面积高达9900万hm²，约占全国陆地面积的10.3%，且每年以1.5%的速度增长。随着全球气候变化，国家生态环境建设、碳中和等重大战略实施，迫切需要快速培育逆境适应能力强的林木新品种，实现对干旱、半干旱及盐碱荒地等困难立地的绿化栽培和改良利用，为国土生态安全维护、固碳增汇等提供优良种植材料。
近日，中国林业科学研究院林业研究所苏晓华团队挖掘出林木响应盐和干旱胁迫负调控因子基因PagHyPRP1，成功创制出首例抗旱耐盐能力明显增强的杨树基因编辑新种质，并深入解析了其抗旱耐盐机制。相关研究成果以题为“A breeding strategy for improving drought and salt tolerance of poplar based on CRISPR/Cas9”在线发表在植物学知名期刊《Plant Biotechnology Journal》上。
苏晓华团队以我国北方地区栽植的杨树重要树种84K杨（Populus alba × P. glandulosa）为材料，挖掘出主要在其根部表达的盐和干旱胁迫响应调控因子基因（富含脯氨酸蛋白等位基因PagHyPRP1，PagHyPRP1A和PagHyPRP1B），并利用优化CRISPR/Cas9系统对该基因进行多位点基因组精准编辑。共获得9株（5种基因型）PagHyPRP1编辑植株，包括2个纯合、2个双等位基因突变和5个嵌合突变系，编辑效率达60%。分析检测结果显示，靶点1 bp的插入或1-4 bp的缺失有效导致了PagHyPRP1A和PagHyPRP1B蛋白质编码序列的移码突变；4个靶点突变率100%的编辑植株（等位突变: prp-1;纯合突变体: prp-2, prp-4; 嵌合突变体: prp-6）组培扩繁后缺失结构稳定，未发生新的突变。编辑株系的PagHyPRP1表达水平无论在正常生长还是在盐和干旱胁迫条件下均显著低于野生型84K杨（WT），而过表达株系（OE）的PagHyPRP1表达水平则显著高于野生型，且Paghprp1基因编辑株系在干旱和盐胁迫下的株高、茎径、茎重、根干重和根冠比显著增加，耐盐性和抗旱性显著增强，证明PagHyPRP1基因在杨树响应干旱和盐碱胁迫中的负调控作用。与WT相比，Paghyprp1编辑株系表现出更高的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）活性以及脯氨酸含量，更低的过氧化氢（H2O2）、超氧根离子（O2-）以及活性氧（ROS）的积累；较高的Na+外排（盐胁迫下）、Ca2+内流量（干旱胁迫下）和H+内流量，更少的K+外排，而OE株系却表现与之相反。表明Paghyprp1基因编辑株系通过提高POD、SOD等抗氧化酶活性、降低ROS、H2O2等活性氧的积累、减少细胞的膜质氧化程度、促进根系生长，同时维持根系Na+、K+、H+和Ca2+离子平衡，稳定根系渗透平衡，进而提高了植株的抗旱耐盐能力。
该研究首次证实了杨树富含脯氨酸蛋白等位基因PagHyPRP1为盐和干旱胁迫响应负调控因子基因，为林木基因编辑育种提供了重要价值的候选基因；创制出抗旱耐盐性状明显改良的基因编辑杨树，填补了林木特别是世界人工林主栽大树种抗逆基因编辑育种的空白，为应用CRISPR/Cas9等基因组编辑技术创制突破性林木新种质提供实证和技术参考。研究还发现不同突变类型（纯合、等位基因突变、嵌合突变）基因编辑的杨树抗旱耐盐能力均得到有效提高，为针对基因组杂合度高等林木自身特点的基因编辑新策略建立提供新思路。
图1 CRISPR/Cas9介导的PagHyPRP1突变提高杨树耐旱性和耐盐性
林木遗传育种全国重点实验室博士生张腾倩和中国林科院林业研究所张伟溪助理研究员为论文的共同第一作者，中国林科院林业研究所苏晓华研究员和丁昌俊副研究员为论文的共同通讯作者，中国科学院遗传与发育研究所胡赞民研究员和范成明副研究员、中国林科院林业研究所张冰玉研究员、东北林业大学刘桂丰教授以及团队博士研究生也参与了此项研究。本研究得到了国家重点研发计划课题(2021YFD2200102)、中国林业科学研究院基金创新团队项目(CAFYBB2020SZ002)和转基因生物新品种培育重大科技专项课题(2018ZX08020002)资助。
