河南省农业科学院 神农种业实验室利用单碱基编辑创制出抗除草剂花生新种质

       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,这也是国际上首次关于利用该技术创制花生新种质的报道,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(《植物生物技术》,中科院一区TOP期刊,影响因子13.8)上发表。
       据论文通讯作者张新友院士介绍,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。自2016年科学家利用单碱基编辑技术在目标基因靶标位点的特定区域实现了C∙G 到 T∙A或A∙T 到 G∙C单碱基的精准替换,该技术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,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,包括P197S、P197F和P197N三种突变类型,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,即使在浓度增加至30 mg ai/L(6倍田间推荐工作浓度)条件下仍能健康生长。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。
       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。
(团伙制种探析院供稿)