基因編輯流程得以高效優(yōu)化 助力作物病害防控

近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室暨湖北洪山實(shí)驗(yàn)室謝卡斌教授課題組在《分子植物》發(fā)表研究論文，報(bào)道了一種大規(guī)模、高通量編輯植物基因的方法，并利用該方法編輯了水稻中全部受體蛋白激酶基因，為快速鑒定抗病、抗逆相關(guān)的基因提供了新資源。

基因編輯流程得以高效優(yōu)化

基因編輯技術(shù)在生命科學(xué)基礎(chǔ)研究和作物遺傳改良方面蘊(yùn)含巨大潛力，因此成為近幾年生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和科研競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。作為一種將生物DNA序列進(jìn)行精準(zhǔn)修改的技術(shù)，CRISPR/Cas9自2013年被用于基因編輯以來(lái)，一直處于火速發(fā)展中。

伴隨CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)在植物研究中日益成熟，利用CRISPR文庫(kù)進(jìn)行高通量的遺傳篩選成為可能。目前有兩種CRISPR文庫(kù)構(gòu)建策略，即混合型文庫(kù)和陣列式文庫(kù)。其中，混合型CRISPR文庫(kù)已被多個(gè)實(shí)驗(yàn)室用于水稻、玉米、番茄等作物突變體庫(kù)的構(gòu)建，但尚未有陣列式CRISPR文庫(kù)在植物中應(yīng)用的報(bào)道。

植物CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。水稻等作物編碼了數(shù)萬(wàn)個(gè)基因，僅幾千個(gè)基因的功能得到研究。如何利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)快速分離和鑒定調(diào)控重要農(nóng)藝性狀的基因，是植物基因編輯技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

謝卡斌是最早開(kāi)展植物CRISPR/Cas9基因編輯工具研發(fā)的科研人員之一，他所在的課題組在該領(lǐng)域積累了多項(xiàng)新技術(shù)成果。

在前期工具基礎(chǔ)上，謝卡斌課題組創(chuàng)建了靶向敲除1072個(gè)水稻類(lèi)受體激酶的基因編輯材料，為快速鑒定抗病、抗逆相關(guān)基因提供了新資源。他們還開(kāi)發(fā)出一套名為“FLASH”的基因編輯“流水線”，高效優(yōu)化了整個(gè)基因編輯流程，可以通過(guò)常規(guī)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)和凝膠電泳讀取每個(gè)載體和轉(zhuǎn)化植株的靶基因信息。

謝卡斌介紹，該“流水線”包含設(shè)計(jì)編輯位點(diǎn)計(jì)算機(jī)程序、高效率CRISPR/Cas9基因編輯載體、高通量構(gòu)建基因編輯載體克隆方法等。“更重要的是，我們?cè)?lsquo;流水線’中設(shè)計(jì)了一種新方法，向基因編輯載體中引入了不同長(zhǎng)度的DNA序列作為標(biāo)簽，用來(lái)快速鑒別基因編輯材料的‘身份’。”他說(shuō)。

“地毯式”搜索農(nóng)作物中有特定基因

謝卡斌說(shuō)，載入標(biāo)簽后，通過(guò)簡(jiǎn)單PCR就可快速、實(shí)時(shí)地讀取CRISPR/Cas9載體、基因編輯植物材料的信息。利用該基因編輯“流水線”，可以迅速地構(gòu)建包含數(shù)十乃至上萬(wàn)個(gè)基因材料信息的基因編輯文庫(kù)。

得益于基因編輯文庫(kù)，研究人員可以對(duì)所有基因的功能進(jìn)行“地毯式”搜索，找出其中與抗病、抗逆、產(chǎn)量等重要農(nóng)藝性狀相關(guān)的基因。

開(kāi)發(fā)了高通量基因編輯“流水線”，謝卡斌課題組便將此技術(shù)用于水稻抗病研究。植物病害一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重大威脅之一，利用現(xiàn)代生物技術(shù)來(lái)提高作物抗病能力是應(yīng)對(duì)作物病害的關(guān)鍵手段。

課題組在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，一類(lèi)被稱為受體激酶的基因，是植物識(shí)別病原物必不可少的組分。利用FLASH基因編輯“流水線”，課題組博士研究生陳凱園在一年左右時(shí)間內(nèi)完成了所有1000余個(gè)水稻類(lèi)受體激酶的基因編輯，目標(biāo)基因的編輯效率在90%以上。

對(duì)受體激酶相關(guān)基因展開(kāi)初步測(cè)試后，謝卡斌課題組選擇了15個(gè)基因材料進(jìn)行稻瘟病接種試驗(yàn)，鑒定到了9個(gè)抗稻瘟病相關(guān)基因。對(duì)受體激酶基因的編輯僅僅是一個(gè)開(kāi)始，他們希望利用所構(gòu)建的高通量基因編輯“流水線”，對(duì)水稻等主要農(nóng)作物基因開(kāi)展“地毯式”功能搜索，為作物遺傳改良提供理論和技術(shù)支持。

謝卡斌表示，來(lái)源于細(xì)菌的CRISPR/Cas9技術(shù)，是一個(gè)多功能平臺(tái)，基因編輯是其中最重要的一個(gè)應(yīng)用。除了基因編輯，CRISPR/Cas9系統(tǒng)還可改造為不同工具用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

謝卡斌認(rèn)為，這些CRISPR/Cas系統(tǒng)改造而來(lái)的工具會(huì)大大加速我們對(duì)作物病害的基礎(chǔ)研究，也會(huì)帶來(lái)用于作物病害綠色防控的新技術(shù)新方法。(吳純新)