近日，山東省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所研究員李根英領銜的小麥分子育種創(chuàng)新團隊在《植物生物技術雜志》發(fā)表研究論文。該研究選取了與小麥加工品質(zhì)密切相關的4個基因（籽粒硬度基因pinb、淀粉品質(zhì)基因waxy、面粉色澤基因psy和面團褐變基因ppo），利用農(nóng)桿菌介導的CRISPR/Cas9系統(tǒng)對其進行精準打靶，經(jīng)過多代純合和鑒定，獲得不含外源轉(zhuǎn)基因成分的基因編輯新種質(zhì)，為小麥品質(zhì)育種提供了新的基因資源。

　　小麥為世界60%以上人口提供大量的碳水化合物和蛋白質(zhì)。隨著經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，人們對面制品加工品質(zhì)要求越來越高，優(yōu)質(zhì)專用小麥品種的需求越來越大。籽粒品質(zhì)與加工品質(zhì)密切相關，是多基因共同作用的結果。培育突破性的優(yōu)質(zhì)小麥品種，需要突破性的基因資源，然而自然界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的優(yōu)異等位基因遠遠不能滿足育種者的需求?；贑RISPR/Cas9的基因組編輯技術的出現(xiàn)，為小麥提供了快速、準確地創(chuàng)造更多新等位基因變異機會。 

　　籽粒硬度是面包小麥的重要指標，也是國際小麥分級的依據(jù)，它與面粉吸水率密切相關。Pinb基因是位于染色體5DS上的單拷貝基因，是決定籽粒硬度關鍵基因之一，其缺失或突變都會導致籽粒質(zhì)地變硬。該研究在pinb基因編碼區(qū)設計了靶向sgRNA，進行小麥遺傳轉(zhuǎn)化。在T0植株中未檢測到突變，但在T1株系中出現(xiàn)了34bp的缺失突變，編輯比例6.82%~38.72%，野生型比例較大。T2代編輯效率進一步提高，最高編輯比例達92.26%，在T3代達到了純合。受體品種fielder的SKCS指數(shù)由18.2提高到73.4，大大提高其籽粒硬度，一步將軟質(zhì)小麥變成了硬質(zhì)小麥。該突變在編碼區(qū)發(fā)生了34bp的缺失，是迄今為止在普通小麥pinb基因第一個大片段缺失材料，拓寬了小麥籽粒硬度改良的遺傳資源。

　　籽粒淀粉組分對小麥面制品尤其是面條品質(zhì)有重要影響。Waxy是小麥胚乳直鏈淀粉合成的關鍵酶，分別由位于7A、4A和7D染色體上的Wx-A1、Wx-B1和Wx-D1編碼。為了獲得新的waxy基因資源，研究人員設計了一個靶向waxy基因第二外顯子的sgRNA。序列擴增和分析證實受體材料fielder屬于Wx-B1缺失類型。突變體waxy-2在A和D基因組中均發(fā)現(xiàn)1-bp的缺失，導致翻譯提前終止，該突變可以穩(wěn)定遺傳，并未產(chǎn)生新的突變類型，在T2代達到純合。碘染色實驗表明，對照籽粒橫截面中的胚乳變?yōu)樯钏{色，而waxy-2變?yōu)榧t棕色，這是糯小麥的典型特征。上述結果表明，研究人員成功地對waxy基因進行了編輯，獲得了新的等位基因，大大降低直鏈淀粉含量，將非糯小麥一步轉(zhuǎn)化為糯小麥。

　　多酚氧化酶（PPO）活性和黃色素含量（YPC）是決定面制品顏色的兩個重要參數(shù)。多酚氧化酶容易造成面團褐變，影響面制品的外觀。因此，培育低PPO活性小麥品種一直是小麥育種的重要目標。研究人員設計了一個同時靶向小麥A、B和D基因組編碼區(qū)的sgRNA，突變體ppo-7在A、B和D基因組都檢測到同一類型的2-bp缺失，并且在T3代出現(xiàn)純合，其籽粒PPO活性為1.24U?g-1min-1，比受體fielder籽粒PPO活性（9.0U?g-1min-1）顯著降低，突變體中ppo基因的編輯比例與PPO活性呈負相關。八氫番茄紅素合酶（PSY）是催化類胡蘿卜素生物合成的一個重要步驟，通常被認為是該途徑中最重要的調(diào)節(jié)酶。研究人員設計了一個sgRNA靶向PSY-7A、7B和7D的編碼區(qū)。選擇在A、B和D基因組上都有“T”插入的突變體psy-13用于后續(xù)研究。突變體編輯比例與YPC含量呈負相關，T2植株的編輯比例為46.29%~71.53%，YPC含量為2.33mg/kg，T3純合突變體的平均值為1.68mg/kg，顯著低于WT（2.81mg/kg）。

　　綜上，該研究選取了與小麥籽粒硬度、淀粉品質(zhì)和面團顏色相關的pinb、waxy、ppo和psy等4個籽粒品質(zhì)相關基因，利用農(nóng)桿菌介導的CRISPR/Cas9系統(tǒng)對其進行精準打靶，獲得了具有新優(yōu)異等位基因的小麥新種質(zhì)。 

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1111/pbi.13647