小麦是世界上重要的粮食作物之一，其安全生产关系到我国乃至世界的粮食安全。在过去几十年里，随着绿色革命和育种技术的发展，我国小麦品种改良取得了辉煌成绩。但是，随着人口增长、全球气候变暖导致自然灾害频发、耕地逐年减少、化肥农药使用过度等导致生态环境恶化，小麦安全生产依然面临着巨大挑战。由于小麦的基因功能冗余和多倍体特性，利用常规育种方法，对多个基因控制的复杂农艺性状进行遗传改良，耗时费力、周期长、效率低。目前，CRISPR/Cas9系统介导的基因编辑技术，已广泛应用于农作物功能基因组学研究和作物遗传育种改良。但由于小麦为异源六倍体、基因组比较大且背景复杂，遗传转化效率相对较低，目前仍然缺乏高效的小麦多基因编辑体系。
图：CRISPR/Cas9系统介导的小麦多基因编辑，获得聚合多个优良等位基因的小麦新种质
在本研究中，利用CRISPR/Cas9系统和多顺反子tRNA自剪切体系，以目前黄淮麦区大面积推广种植的冬小麦品种郑麦7698为受体材料，开发了一种高效、通用的多基因编辑技术。以穗发芽抗性相关（TaQsd1）、氮吸收利用（TaARE1）、株型（TaNPT1、TaIPA1）、支链淀粉合成（TaSBEⅡa）和磷转运（TaSPDT）六个基因作为靶基因，分别构建同时靶向2个、3个、4个和5个基因组合的多基因编辑载体。该载体由水稻组成型启动子Actin驱动表达多个串联排列的tRNA-gRNAs单元，并且添加了具有增强转录本稳定性的PolyA结构和Nos终止子终止表达。将上述多基因编辑载体通过转化郑麦7698，获得了2、3、4、5个基因在15个基因组位点编辑的植株，最高编辑效率可达50%。进一步通过胚拯救和后代分离，在T1代中成功获得了无转基因、多个优异等位基因聚合的小麦新种质。小麦高效、通用多基因编辑体系的建立，将有助于促进小麦分子生物学研究和复杂性状形成的网络解析，定向创制小麦新种质，加速育种进程。
作科所在读硕士研究生罗金满为本文第一作者，夏兰琴研究员和马有志研究员为本文共同通讯作者。该研究得到国家重点研究发展计划、农科英才特支计划、中央公益性科研机构基金和创新工程等项目资助。
https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.03.024
