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抗草铵膦水稻新种质创制！中国农科院利用碱基编辑技术对水稻主栽品种进行草铵膦抗性改良。

责任编辑：左彬彬来源：The Crop Journal 日期：2022-11-15

水稻是我国最重要的粮食作物之一,在保障我国粮食安全和可持续发展中占有十分重要的地位。而稻田草害严重影响水稻产量和品质,特别是近年来由于栽培方式改变(直播水稻的推广)、农村劳动力缺乏、除草剂不合理使用等原因,导致我国稻田杂草危害加重,难治杂草凸显,抗药性产生迅速,药害发生频繁。化学防治和除草剂抗性品种结合使用是目前实际生产中最为有效的杂草防控措施。培育广谱非选择性除草剂抗性水稻将有助于改善稻田杂草化学防治效果,减少用药量和简化防治措施,最终保障水稻的优质和高产。广谱灭生性除草剂草铵膦因高效和不易导致杂草产生抗药性已被广泛用于非耕地的杂草防控。因此创制和培育具有草铵膦抗性的内源基因修饰水稻品种,对减轻稻田杂草危害、简化防控措施、降低防控成本和保证水稻高产优质具有非常重要的意义。然而,目前对草铵膦靶标蛋白GS的抗性变异信息还知之甚少,导致抗草铵膦内源基因修饰水稻新种质创制还十分滞后。

近日,中国农业科学院植物保护研究所与农业基因组研究所合作在The Crop Journal在线发表了题为″Three novel alleles of OsGS1 developed by base-editing-mediated artificial evolution confer glufosinate tolerance in rice″的研究论文。针对植物中草铵膦靶标蛋白GS抗性变异资源稀缺的问题,作者利用碱基编辑介导的基因定向进化技术(BEMGE)对水稻内源基因OsGS1进行人工进化,创制和挖掘具草铵膦抗性的新变异位点,并借助碱基编辑技术对水稻主栽品种南粳46进行草铵膦抗性改良。

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研究中,针对OsGS1的编码区设计获得102个sgRNA(41个具有NGG PAM和61个具有NGH PAM)；根据PAM种类,将sgRNA分成两组,分别与高活性且编辑窗口宽的胞嘧啶碱基编辑器(rBE5和rBE22)和腺嘌呤碱基编辑器(rBE49b和rBE53)组装获得用于农杆菌转化的四个碱基编辑质粒库。从近4200个潮霉素抗性愈伤群体中筛选出3个具有草铵膦抗性的水稻材料,经过sgRNA和靶位点鉴定,获得三个全新抗性变异类型(OsGS1-AVPS、OsGS1-+AF和OsGS1-SGTA)(图1)。载药平板萌发和草铵膦(田间推荐剂量)喷施试验结果显示,OsGS1-AVPS、OsGS1-+AF和OsGS1-SGTA确实能够赋予水稻草铵膦耐受性(图1)。在这三种抗性变异中,只有S59G曾在抗草铵膦杂草中有过报道,另两种均为全新的抗性变异位点。最后,通过精准碱基编辑技术将抗性变异OsGS1-AVPS和OsGS1-SGTA成功引入到主栽品种南粳46中(图2)。该研究结果表明,通过对作物内源基因进行基因组编辑以实现作物草铵膦抗性改良这一方法是可行的,这将极大地加快未来抗草铵膦作物品种的培育。

图1 人工定向进化内源基因OsGS1创制获得的3个耐草铵膦水稻新种质

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图2 抗性变异OsGS1-AVPS和OsGS1-SGTA引入水稻主栽品种南粳46