多重基因編輯系統+高通(tong)量(liang)基因型鑒(jian)定(ding)+高通(tong)量(liang)表型鑒(jian)定(ding)=復(fu)雜數量(liang)性(xing)狀(zhuang)改良新策(ce)略
縱觀(guan)農業歷史，人類(lei)一(yi)(yi)直在(zai)選擇具(ju)(ju)有(you)(you)更高(gao)產量或者(zhe)更好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)地(di)(di)區適應(ying)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)等特性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)植(zhi)物。傳統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)育(yu)種(zhong)(zhong)(zhong)方法(fa)依賴于對(dui)遺傳變異的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)利用。通(tong)常(chang)情況下，育(yu)種(zhong)(zhong)(zhong)家將具(ju)(ju)有(you)(you)有(you)(you)利農藝性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)狀(zhuang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不同(tong)植(zhi)株進(jin)行雜交，通(tong)過(guo)分析其后(hou)代的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)表型變異，對(dui)目標性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)狀(zhuang)改(gai)良的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)個體進(jin)行選擇來獲(huo)得具(ju)(ju)有(you)(you)理(li)想性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)狀(zhuang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)品種(zhong)(zhong)(zhong)。然而(er)，傳統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)育(yu)種(zhong)(zhong)(zhong)方法(fa)是(shi)(shi)(shi)一(yi)(yi)個需(xu)要歷經多(duo)代雜交的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)緩慢過(guo)程(cheng)，這一(yi)(yi)過(guo)程(cheng)往(wang)往(wang)需(xu)要數年時間才能(neng)獲(huo)得新品種(zhong)(zhong)(zhong)，而(er)且新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)品種(zhong)(zhong)(zhong)常(chang)常(chang)只是(shi)(shi)(shi)適度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)改(gai)良。此外，一(yi)(yi)些(xie)與產量有(you)(you)關的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)狀(zhuang)是(shi)(shi)(shi)由(you)(you)發育(yu)過(guo)程(cheng)中具(ju)(ju)有(you)(you)冗(rong)余(yu)功能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)多(duo)個基(ji)因(yin)控制(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，或者(zhe)是(shi)(shi)(shi)由(you)(you)許多(duo)處于同(tong)一(yi)(yi)調控途徑不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)微效基(ji)因(yin)控制(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，這意味著(zhu)必須將幾個染色體片(pian)段結合起來才能(neng)實(shi)現較(jiao)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)品種(zhong)(zhong)(zhong)改(gai)善。現代基(ji)因(yin)組(zu)(zu)學工(gong)(gong)具(ju)(ju)有(you)(you)望極大(da)地(di)(di)提高(gao)植(zhi)物育(yu)種(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)速(su)度(du)和(he)精(jing)度(du)。現代基(ji)因(yin)組(zu)(zu)學工(gong)(gong)具(ju)(ju)有(you)(you)望極大(da)地(di)(di)提高(gao)植(zhi)物育(yu)種(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)速(su)度(du)和(he)精(jing)度(du)（比如(ru)基(ji)因(yin)編輯(ji)工(gong)(gong)具(ju)(ju)），但仍(reng)需(xu)改(gai)進(jin)來實(shi)現效益最(zui)大(da)化。近日，比利時根特大學植物系統生物學中心研究團隊在《The Plant Cell》在線發表了題為BREEDIT: a multiplex genome editing strategy to improve complex quantitative traits in maize的研究論文，介紹了一種叫做BREEDIT的加速植物育種的新工具，可以通過基因編輯的方法來靶定冗余基因家族中的多個成員。BREEDIT新工具通過加速挖掘控制重要農藝性狀（如產量和抗逆性）的遺傳基礎來加快植物育種的速度。研究團隊建(jian)立了(le)一個利(li)用CRISPR/Cas9系統，并基(ji)(ji)于玉米(mi)、水稻和擬南芥中與植物(wu)生長調節功能保守(shou)的48個候選(xuan)基(ji)(ji)因創建(jian)一套多(duo)重基(ji)(ji)因編(bian)輯(ji)的植物(wu)（即對多(duo)個不同的基(ji)(ji)因或特定(ding)的DNA位點進行編(bian)輯(ji)）。
圖1 BREEDIT——多重基因編輯(ji)方(fang)法
研(yan)(yan)究(jiu)團隊(dui)利用多重(zhong)CRISPR/Cas9基(ji)因(yin)組編輯工具(ju)對一(yi)(yi)組復雜性(xing)狀微(wei)效目標(biao)基(ji)因(yin)進(jin)行編輯來創造遺傳變異（四個載體(ti)中的12個引導(dao)RNAs稱為(wei)SCRIPTs）。研(yan)(yan)究(jiu)團隊(dui)通(tong)過高度多重(zhong)（HiPlex）擴增子(zi)測(ce)序(xu)技術對超級轉化體(ti)植(zhi)株(zhu)（含有SCRIPT和Cas9 EDITOR載體(ti)，如圖1所示）進(jin)行基(ji)因(yin)分型(xing)(xing)，并通(tong)過相互雜交來產(chan)生(sheng)(sheng)一(yi)(yi)組具(ju)有全部(bu)基(ji)因(yin)敲除組合可能的的編輯植(zhi)株(zhu)。除了回交和自交外，改進(jin)后的基(ji)因(yin)編輯植(zhi)株(zhu)雜交方(fang)案還(huan)包(bao)括SCRIPT內雜交（即(ji)同(tong)一(yi)(yi)SCRIPT產(chan)生(sheng)(sheng)的同(tong)一(yi)(yi)基(ji)因(yin)家族(zu)的互補性(xing)突變）和SCRIPT間雜交（即(ji)由不同(tong)SCRIPT產(chan)生(sheng)(sheng)的不同(tong)基(ji)因(yin)家族(zu)的突變）。研(yan)(yan)究(jiu)團隊(dui)利用高通(tong)量表型(xing)(xing)鑒(jian)定系統(tong)對分離后代進(jin)行重(zhong)要(yao)農藝性(xing)狀（例如產(chan)量潛力和耐旱性(xing)）的篩選。通過以上方(fang)式(shi)，研究團隊只(zhi)需兩代就可以獲得并(bing)測試數量可觀的目標性狀遺傳變(bian)異，從而加快了(le)對具有性狀改良的特定(ding)(ding)基因(yin)變(bian)異組合的鑒定(ding)(ding)。本研究中(zhong)利用的(de)幾個候選基(ji)因(yin)在植物(wu)(wu)發育(yu)(yu)過程中(zhong)起到負調控的(de)作用，這些負調控基(ji)因(yin)的(de)功能(neng)缺(que)失預期會對(dui)植物(wu)(wu)生(sheng)長(chang)(chang)產生(sheng)積極影響。然(ran)而(er)，由SCRIPT1（靶(ba)標基(ji)因(yin)涉及赤霉(mei)素分解代(dai)(dai)謝(xie)過程）產生(sheng)的(de)多重基(ji)因(yin)敲除(chu)導致(zhi)(zhi)營養器官(guan)生(sheng)長(chang)(chang)增(zeng)強，但生(sheng)殖器官(guan)出(chu)現異常，導致(zhi)(zhi)了轉化(hua)體后(hou)代(dai)(dai)的(de)雄性不育(yu)(yu)。另一方面，SCRIPT2（靶(ba)標基(ji)因(yin)涉及細胞分裂素代(dai)(dai)謝(xie)過程，以(yi)前曾(ceng)被證明參與了植物(wu)(wu)早期發育(yu)(yu)階(jie)段的(de)干(gan)旱脅迫反(fan)應）產生(sheng)多重基(ji)因(yin)敲除(chu)在缺(que)水的(de)條件下(xia)展(zhan)現出(chu)更快的(de)生(sheng)長(chang)(chang)速度。總之，BREEDIT系(xi)統(tong)可以同時修(xiu)飾和測試在植物生長(chang)中具有(you)冗(rong)余(yu)功能(neng)基(ji)因家族的多個成員，這是一個(ge)高效(xiao)且快速的工具。
—— 參考文獻 ——
Lorenzo CD, Debray K, Herwegh D, et al. . Plant Cell, 2023, 35(1): 218-238.
基因編輯服務+靶向測序服務+高通量表型儀器和服務方案北大荒墾豐種業(ye)-澤泉科技(ji)生物技(ji)術(shu)與表(biao)型服務中心是由北(bei)大(da)荒(huang)墾(ken)豐種業股份(fen)有限公司(si)和上海澤泉科(ke)技(ji)(ji)股份(fen)有限公司(si)共同建設(she)的(de)開(kai)放式高通量植(zhi)物(wu)基因型(xing)(xing)(xing)-表型(xing)(xing)(xing)-育種服(fu)務(wu)平(ping)臺。中心建立了基因克(ke)隆和載體平(ping)臺、作(zuo)物(wu)轉(zhuan)化(hua)系統、基因型(xing)(xing)(xing)分析(xi)平(ping)臺、表型(xing)(xing)(xing)鑒(jian)定分析(xi)平(ping)臺、數據分析(xi)和利(li)用(yong)平(ping)臺等現代化(hua)生(sheng)物(wu)技(ji)(ji)術和信息支(zhi)持平(ping)臺，是定位于(yu)為植(zhi)物(wu)科(ke)研和作(zuo)物(wu)育種提(ti)供植(zhi)物(wu)基因型(xing)(xing)(xing)-表型(xing)(xing)(xing)-育種數據分析(xi)的(de)科(ke)研服(fu)務(wu)平(ping)臺。為了縮短您的(de)(de)育種(zhong)進程(cheng)，提(ti)(ti)高(gao)您的(de)(de)育種(zhong)成(cheng)功率，北大荒墾豐種(zhong)業(ye)-澤泉科技(ji)(ji)生(sheng)物技(ji)(ji)術與表型(xing)服(fu)務(wu)中心將為您提(ti)(ti)供(gong)水稻基(ji)(ji)因編輯(ji)服(fu)務(wu)。本(ben)方案(an)利用基(ji)(ji)因編輯(ji)酶系統編輯(ji)供(gong)試材料的(de)(de)目(mu)的(de)(de)基(ji)(ji)因，在不改變其他基(ji)(ji)因的(de)(de)情(qing)況下迅速獲取一批目(mu)的(de)(de)基(ji)(ji)因缺失型(xing)突變體。解決(jue)傳統雜交選育中存在的(de)(de)周期長(chang)，基(ji)(ji)因連鎖(suo)等難(nan)題。靶(ba)向(xiang)(xiang)測序技術(shu)主要分為基于多(duo)重PCR的靶(ba)向(xiang)(xiang)基因捕(bu)(bu)(bu)獲(huo)(huo)技術(shu)（GenoPlexs）和基于液相探(tan)針雜(za)交的靶(ba)向(xiang)(xiang)基因捕(bu)(bu)(bu)獲(huo)(huo)技術(shu)（GenoBaits）兩種。可完成單樣品50-5000和3000-40000標記的基因型(xing)分析，并達到(dao)可設計區域覆蓋度(du)高于95%，擴增子均一(yi)性高于90%的捕(bu)(bu)(bu)獲(huo)(huo)效(xiao)率。
| 種質資源分析 | 分(fen)子標記(ji)輔助選(xuan)擇(ze) |
| 分(fen)子標記輔助(zhu)回交(jiao)改良 | 全基(ji)因組選擇 |
| 全(quan)基因組關(guan)聯分析 | 遺傳(chuan)圖譜構(gou)建 |
| QTL定位 |
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突(tu)變(bian)(bian)株(zhu)(zhu)作(zuo)為育種的(de)主要載(zai)體(ti)，篩選(xuan)與鑒定(ding)工(gong)作(zuo)復雜而繁重。高通量表型(xing)分析設備和(he)熒光成像系(xi)統(tong)都可(ke)服務于突(tu)變(bian)(bian)株(zhu)(zhu)的(de)篩選(xuan)，具體(ti)體(ti)現在對(dui)一些(xie)物理誘變(bian)(bian)和(he)化學誘變(bian)(bian)產生的(de)突(tu)變(bian)(bian)群體(ti)，定(ding)時觀察植株(zhu)(zhu)形態、顏(yan)色等變(bian)(bian)化，可(ke)以(yi)獲得大量的(de)植物表型(xing)參數，構(gou)建指紋(wen)圖譜。此外，還可(ke)利用IMAGING-PAM熒光系(xi)統(tong)對(dui)植物幼(you)苗進行光合特性測(ce)定(ding)，高效篩選(xuan)突(tu)變(bian)(bian)單株(zhu)(zhu)。
溫(wen)室型高通量植物(wu)表(biao)型成(cheng)像系統
小麥拔節期側面成像(xiang)分析(xi)圖(tu)
隨著植(zhi)物生(sheng)物技(ji)術和基(ji)因工(gong)程的發(fa)展，細胞(bao)遺傳操作與農藝性狀(zhuang)改(gai)良顯得(de)尤為重要。細胞(bao)遺傳操作之后導致農藝性狀(zhuang)例如生(sheng)育期，株(zhu)高(gao)(gao)，葉面積，果實(shi)重量(liang)等(deng)改(gai)變，均可以通過中心服務(wu)平臺(tai)高(gao)(gao)通量(liang)表(biao)型平臺(tai)進(jin)行分析(xi)。目前(qian)，平臺(tai)已針(zhen)對(dui)小麥、水(shui)稻、玉米、黃瓜(gua)、番(fan)茄、辣椒、楊樹、丹(dan)參、擬南芥、煙草(cao)、蕎麥等(deng)多種植(zhi)物進(jin)行表(biao)型服務(wu)，服務(wu)內容涉及脅迫生(sheng)理，生(sheng)長(chang)(chang)模型構建、生(sheng)長(chang)(chang)勢評價等(deng)領域(yu)。如您需要了解更多信息，請識別下方二維碼填寫登記表，我們會為您提供專業的服務，真誠期待與您的合作！
