中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究组和高彩霞研究组合作,选用天然耐盐碱和抗细菌疮痂病的野生醋栗番茄(Solanum pimpinellifolium) 为基础材料,运用基因编辑技术精准靶向多个产量和品质性状控制基因的编码区及调控区,在不牺牲其对盐碱和疮痂病天然抗性的前提下,将产量和品质性状精准地导入了野生番茄,加速了野生植物的人工驯化。研究人员使用多靶点CRISPR/Cas9载体系统,精准靶向开花光周期敏感性、株型和果实同步成熟控制基因SP和SP5G的编码区(Coding region)、果实大小控制基因SlCLV3 和SlWUS的顺式调控元件(Cis-regulatory element) 和维生素C合成酶基因SlGGP1的上游开放阅读框 (Upstream Open Reading Fragment, uORF),获得了140个独立的基因编辑株系,后代群体的基因型和表型鉴定表明,基因编辑消除了野生番茄开花的光周期敏感性,突破了栽种的地理范围限制,实现了野生植物驯化的第一步。同时将醋栗番茄开花晚、坐果稀的无限生长型(Indeterminate)的株型变成了“双有限”生长型(Double determinate)的紧凑株型,提高了坐果率、果实成熟的同步性和收获指数。而对小肽基因SlCLV3 及其信号途径下游基因SlWUS的顺式调控元件和SlGGP1上游开放阅读框的编辑使野生番茄果实变大,维生素C含量升高。盐处理和疮痂病菌接种实验表明,上述重要农艺性状的精准导入并没有影响野生番茄的天然抗性。该研究首次通过基因编辑实现野生植物的快速驯化,为精准设计和创造全新作物提供了新的策略。
这一研究成果于2018年10月1日在Nature Biotechnology杂志发表(DOI:10.1038/nbt.4273)。研究论文题目为“Domestication of wild tomato is accelerated by genome editing”。中国科学院遗传与发育生物学研究所在读博士研究生李停栋同学、于媛同学和博士后杨新萍同学为该论文的共同第一作者,许操研究员和高彩霞研究员为该论文的共同通讯作者。该研究得到了科技部、 国家自然科学基金委、中国科学院和植物基因组学国家重点实验室的资助。
图: 基因编辑将理想株型、开花的光周期不敏感性、果实大小和成熟同步性等重要驯化性状一次性导入野生番茄。 |