给水稻做“微创手术”

水稻是世界上最重要的三大粮食作物之一，为全球一半以上人口提供赖以生存的基本食粮。随着世界人口的不断增长，以及全球气候变化引起的干旱洪涝灾害和各种农作物病虫害不断加剧发生，水稻的稳产、增产面临着前所未有的挑战。加快水稻基础科学理论研究和进行水稻遗传改良，分子品种设计高产优质育种，对解决日益严峻的粮食安全问题具有极其重要的意义。

现在种植的水稻品种是野生稻经过人类近万年的驯化和近百年的现代育种而获得的。在这漫长的人工选择过程中，水稻育种家主要通过在田间寻找选择变异株系，再进一步选育获得符合我们需要的水稻品种。这些具有与原来水稻不同表型的变异株系实质上就是水稻遗传突变体。水稻突变体是进行水稻功能基因组学基础理论研究和水稻分子品种设计育种的重要材料，在水稻基础理论研究和水稻遗传改良育种中发挥着至关重要的作用。

常规的水稻突变体通常来源于天然自发突变或化学、物理及生物人工诱变，具有很大的随机性，已不能满足日益增长的大规模的水稻功能基因组学基础研究和水稻分子品种设计育种的需求。基因组编辑是对生物基因组特定靶位点进行定向改变的新技术，其中近几年来发展起来的CRISPR/Cas9体系技术门槛低且高效，给生命科学带来了一场全新的技术革命，已经广泛应用于包括多种农作物在内的多种生物的基因组定向改造。这种被喻为“遗传手术刀”的基因组编辑技术能对特定目标靶基因进行精准的编辑，通常只在靶位点造成几个碱基的替换、插入或者删除，类似于微创手术，这与基因组上时常发生的自然变异或诱导突变本质相同，在农作物分子遗传改良育种上已呈现出广阔的应用前景。

中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋课题组和高彩霞课题组合作研究，利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术和高通量的寡核苷酸芯片合成技术，对水稻全基因组进行大规模的编辑，成功实现了水稻突变体的高通量快速构建和功能筛选。

水稻基因组大约有38000个基因，该研究选择了在水稻穂部和茎基部高表达的对农艺性状起重要作用的12802个基因进行了高通量的基因组编辑，获得了14000多个不同的水稻基因敲除突变体材料，并对它们的后代进行了部分表型和基因型分析鉴定。研究发现，获得的多个水稻突变体具有明显表型改变，包括株高、穂型、粒型、分蘖数、叶色、生长势、开花期和育性等多种直观表型。后代遗传性状分离分析发现，大多数突变体的表型和其基因型是紧密关联的。因此，这些突变体是进行水稻基础理论研究的珍贵实验材料。对这些突变体进行后续的抗病虫、抗盐碱、抗旱、抗高温和抗低温等各种抗逆境的筛选，并对其产量和品质进行测定评价和筛选，将获得一大批可以直接或间接用于水稻分子设计育种的具有潜在的重要应用价值的新品系和水稻新种质资源，对促进水稻分子品种设计高产优质育种的进程将具有极其重要的实践意义。

该研究表明，利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术大规模构建水稻突变体库并进行高通量功能筛选是高效便捷获得水稻重要突变体和快速克隆对应基因的有效方法，同时能够为水稻遗传改良和分子设计育种提供重要的供体材料，为大规模的水稻功能基因组学基础理论研究和水稻品种设计育种提供了一个非常有意义的研究平台。

研究成果于6月21日在国际著名学术期刊杂志《分子植物》（Molecular Plant）在线发表（DOI:10.1016/j.molp.2017.06.006），中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋研究组孟祥兵博士和余泓博士为该论文的共同第一作者，李家洋研究员和高彩霞研究员为共同通讯作者。该研究得到了科技部国家重点研发计划和国家自然科学基金项目的资助。

图 高通量构建水稻CRISPR/Cas9突变体库