近日,《生物技术通报》在线发表了中国农业科学院植物保护研究所周焕斌团队文章《利用胞嘧啶碱基编辑技术创制耐草甘膦水稻》。本研究获得的耐草甘膦水稻碱基编辑新种质 OsEPSPS(P177L)为水稻的草甘膦抗性改良和稻田的杂草防治开辟了一条新的途径。该研究实验设计清晰,且创新性明显。通过碱基编辑技术直接对水稻内源基因OsEPSPS进行精准编辑,从而获得了耐草甘膦的水稻材料,这种方法不仅快速安全,而且减少了引入外源基因所带来的担忧,有明显的优势。

水稻作为主要的粮食作物之一,全球一半以上人口以水稻为主食。因此,保障和提高水稻产量和品质将对缓解粮食压力和保障粮食安全具有十分重要的意义。随着耕地和农业劳动力的不断减少以及水资源日益匮乏,水稻的生产栽培方式正逐渐从传统的移栽向直播转变和发展。然而,在直播水稻生产过程中,杂草危害变得日趋频繁和复杂,严重影响水稻的产量和品质。据统计,在直播系统中杂草危害造成的水稻产量损失超过 80%。在传统农业中,杂草管理主要依靠人工除草和水管理,费时费力。与人工除草相比,利用除草剂需要更少的劳动力和资金,而且效率更高,这使得它成为水稻种植中最广泛采用的方法。

草甘膦是一种广谱灭生性除草剂,高效且低残留,杂草不易对其产生抗性,成本较低且易于在环境中降解,这些因素使草甘膦在农业生产中成为使用最广泛的除草剂。草甘膦作用于植物体内莽草酸途径的 5- 烯醇丙酮酰莽草酸 -3- 磷酸合酶(EPSPS),干扰 EPSPS 正常酶活功能,阻碍多种蛋白质的正常合成而影响植物的生长发育,导致死亡。由于莽草酸途径目前只发现于植物和微生物中,人和哺乳动物中尚未发现该途径,因此相对来说,草甘膦对人和哺乳动物具有一定的安全性。由于草甘膦对水稻同样具有毒性,在水稻生长期不能直接施用草甘膦除草,所以培育耐草甘膦水稻对于草甘膦用于稻田杂草防治具有重要应用价值。

抗草甘膦作物培育也一直是转基因育种领域最主要的方向。在实验室内,目前已培育获得大量的抗草甘膦转基因水稻,但是由于公众对转基因作物的安全顾虑而推广不易。近年来新兴发展起来的基因组编辑技术则为培育新型水稻抗除草剂材料提供了一条新的思路。借鉴杂草中因除草剂靶标基因发生点突变从而产生抗药性的原理,研究人员利用碱基编辑技术修饰改造作物中的除草剂靶标基因,获得了无转基因成分的除草剂抗性作物新种质。碱基编辑技术的原理主要为 ：由切口酶 Cas9n(即 Cas9(D10A)) 和 碱 基 脱 氨 酶 组 成 的 碱 基 编 辑 器, 在sgRNA 引导下结合在基因组靶位点,此时碱基脱氨酶可将编辑活性窗口内的靶碱基进行脱氨形成新嘌呤或嘧啶。目前植物中已建立了两类碱基编辑技术,分别是实现碱基对 C:G 向 T:A 转换的胞嘧啶碱基编辑技术、碱基对 T:A 向 C:G 转换的腺嘌呤碱基编辑技术。研究人员通过利用胞嘧啶碱基编辑技术对水稻、小麦和西瓜等作物内源的 ALS 抑制剂类除草剂靶标基因 ALS 进行编辑,成功获得了具有双草醚抗性的水稻 OsALS(P171F)、烟嘧磺隆抗性的小麦 TaALS(P194F)和苯磺隆抗性的西瓜ClALS(P190S)等材料；此外,利用腺嘌呤碱基编辑技术分别对水稻内源 OsACCase 和 OsTub2A 进行编辑,从而分别获得具有氟吡甲禾灵抗性和二硝基苯胺类除草剂抗性的水稻。

杂草能够对水稻的生长产生不利影响,杂草不仅争夺水稻的水分和养分,而且还是传播病原菌的重要媒介,因此消灭杂草无疑是水稻种植过程中的重要田间管理措施。尽管除草剂的使用极大的提高了劳动效率,但是由于草甘膦对水稻的毒性作用,导致其不能直接应用于水稻田中。因此将草甘膦应用于稻田中的杂草防治一直以来是一个难题。而通过创制耐草甘膦的水稻种质资源,是经济有效的解决方式。

目前创制抗除草剂作物主要有以下 3 个主要途径 ：修饰除草剂靶蛋白以抑制其对除草剂的亲和力 ；提高除草剂靶蛋白的表达量以维持其功能 ；引入或增加除草剂解毒蛋白,保护靶蛋白免受危害。而第一种方法无疑是直接有效的方法,也是创制抗草甘膦水稻中应用最为广泛的途径,然而这种方法并不能阻止草甘膦在植物体内的转运和积累。目前,创制抗草甘膦水稻的研究中大多数利用的是引入微生物的外源基因,例如 I.variabilis-EPSPS*,然而其还没有商业化推广的条件。

本研究利用胞嘧啶碱基编辑系统 rBE22 对水稻内源草甘膦靶标基因 OsEPSPS 进行碱基定向替换,成功创制获得了对草甘膦具有耐受性且经济性状不受影响的水稻新种质 OsEPSPS(P177L)。