多重基(ji)(ji)因編(bian)輯系(xi)統+高(gao)通(tong)量(liang)基(ji)(ji)因型鑒(jian)定(ding)+高(gao)通(tong)量(liang)表型鑒(jian)定(ding)=復雜數量(liang)性狀改良(liang)新策(ce)略
縱觀農業(ye)歷(li)史，人類一(yi)直在選(xuan)擇(ze)具(ju)有更高產(chan)量(liang)(liang)或者更好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)地(di)區適應性(xing)等(deng)特性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)植(zhi)(zhi)物。傳統的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)育種(zhong)方法(fa)依賴于(yu)對遺傳變異的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)利用。通常(chang)情況下，育種(zhong)家將具(ju)有有利農藝性(xing)狀的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)同植(zhi)(zhi)株進(jin)行雜(za)交(jiao)，通過(guo)分析其后代(dai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)表型(xing)變異，對目標性(xing)狀改(gai)良的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)個(ge)體進(jin)行選(xuan)擇(ze)來(lai)獲得具(ju)有理想性(xing)狀的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)品(pin)種(zhong)。然而，傳統的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)育種(zhong)方法(fa)是一(yi)個(ge)需要歷(li)經多代(dai)雜(za)交(jiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)緩(huan)慢過(guo)程(cheng)，這一(yi)過(guo)程(cheng)往往需要數(shu)年時間才能獲得新品(pin)種(zhong)，而且新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)品(pin)種(zhong)常(chang)常(chang)只(zhi)是適度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)改(gai)良。此外，一(yi)些與產(chan)量(liang)(liang)有關的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)狀是由發育過(guo)程(cheng)中具(ju)有冗余(yu)功能的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)多個(ge)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)控(kong)制的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，或者是由許多處(chu)于(yu)同一(yi)調控(kong)途徑(jing)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)微效(xiao)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)控(kong)制的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，這意(yi)味著必(bi)須(xu)將幾個(ge)染色體片段結合起來(lai)才能實現較(jiao)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)品(pin)種(zhong)改(gai)善。現代(dai)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)組(zu)學工具(ju)有望極大地(di)提高植(zhi)(zhi)物育種(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)速(su)度和精(jing)度。現代(dai)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)組(zu)學工具(ju)有望極大地(di)提高植(zhi)(zhi)物育種(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)速(su)度和精(jing)度（比如(ru)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)編輯(ji)工具(ju)），但仍需改(gai)進(jin)來(lai)實現效(xiao)益最大化。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(de)研(yan)究論文，介紹了一種(zhong)(zhong)叫做BREEDIT的(de)加速植物(wu)育種(zhong)(zhong)的(de)新(xin)工具(ju)，可以通(tong)(tong)過基因(yin)編輯的(de)方(fang)法來靶(ba)定冗余基因(yin)家(jia)族中的(de)多個成員(yuan)。BREEDIT新(xin)工具(ju)通(tong)(tong)過加速挖掘控制重要農藝性狀（如產量和抗(kang)逆性）的(de)遺傳基礎來加快植物(wu)育種(zhong)(zhong)的(de)速度。研究團隊(dui)建(jian)立了一(yi)個(ge)利用CRISPR/Cas9系統(tong)，并基(ji)于玉米、水稻和擬南芥中與植物(wu)生長調節功能保(bao)守(shou)的48個(ge)候選基(ji)因(yin)(yin)創建(jian)一(yi)套多重基(ji)因(yin)(yin)編輯的植物(wu)（即對(dui)多個(ge)不同的基(ji)因(yin)(yin)或特定的DNA位點(dian)進(jin)行編輯）。
圖1 BREEDIT——多重基因編輯方法
研究團隊利(li)用(yong)多(duo)重CRISPR/Cas9基(ji)因(yin)組(zu)編(bian)輯(ji)工具對(dui)一(yi)組(zu)復雜性狀微(wei)效目標基(ji)因(yin)進(jin)(jin)行編(bian)輯(ji)來創造遺傳(chuan)變(bian)異（四個(ge)載(zai)體(ti)(ti)中的(de)12個(ge)引(yin)導RNAs稱為(wei)SCRIPTs）。研究團隊通過(guo)高度(du)多(duo)重（HiPlex）擴增(zeng)子測序技術對(dui)超(chao)級轉化體(ti)(ti)植(zhi)株(zhu)（含(han)有SCRIPT和Cas9 EDITOR載(zai)體(ti)(ti)，如圖1所示）進(jin)(jin)行基(ji)因(yin)分型(xing)，并(bing)通過(guo)相互雜交來產(chan)生(sheng)一(yi)組(zu)具有全部基(ji)因(yin)敲除組(zu)合(he)可能的(de)的(de)編(bian)輯(ji)植(zhi)株(zhu)。除了(le)回交和自交外，改(gai)進(jin)(jin)后的(de)基(ji)因(yin)編(bian)輯(ji)植(zhi)株(zhu)雜交方案還(huan)包括(kuo)SCRIPT內雜交（即同一(yi)SCRIPT產(chan)生(sheng)的(de)同一(yi)基(ji)因(yin)家族的(de)互補性突變(bian)）和SCRIPT間雜交（即由不(bu)同SCRIPT產(chan)生(sheng)的(de)不(bu)同基(ji)因(yin)家族的(de)突變(bian)）。研究團隊利(li)用(yong)高通量(liang)表型(xing)鑒定系統對(dui)分離后代進(jin)(jin)行重要農藝性狀（例如產(chan)量(liang)潛力(li)和耐旱性）的(de)篩選。通(tong)過以上方式，研究團(tuan)隊只需兩代就(jiu)可(ke)以獲(huo)得并測試數量可(ke)觀的(de)目標性狀遺傳變(bian)(bian)異(yi)，從(cong)而加快(kuai)了對(dui)具有性狀改良的(de)特(te)定(ding)基(ji)因變(bian)(bian)異(yi)組合的(de)鑒定(ding)。本研究中利用(yong)(yong)的(de)幾個(ge)候選基因在植物(wu)發育過程(cheng)中起到負調控的(de)作用(yong)(yong)，這些負調控基因的(de)功(gong)能缺失預期會對植物(wu)生長產生積(ji)極(ji)影響(xiang)。然而，由SCRIPT1（靶(ba)標基(ji)因涉及赤霉素分解代謝過程）產(chan)生的(de)多重基(ji)因敲除導致營養器官生長增(zeng)強(qiang)，但生殖器官出現異常，導致了轉化體后代的(de)雄性不育(yu)。另一方面，SCRIPT2（靶標基(ji)因(yin)涉及細胞分裂素代謝過程(cheng)，以前曾(ceng)被證明參與了植物早期發育階段的(de)(de)干旱脅迫反應）產生(sheng)多重(zhong)基(ji)因(yin)敲除(chu)在缺(que)水的(de)(de)條件(jian)下展現出更快(kuai)的(de)(de)生(sheng)長速(su)度。總之(zhi)，BREEDIT系統可以同時修飾和測試在植物生長(chang)中具(ju)有冗余(yu)功能基因家族的多個成員，這(zhe)是一(yi)個高效且快速的工具。—— 參考(kao)文獻 ——
Lorenzo CD, Debray K, Herwegh D, et al. BREEDIT: a multiplex genome editing strategy to improve complex quantitative traits in maize. 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(ze)泉(quan)科技生物技術與表型服務中心是由(you)北大荒墾豐種(zhong)業股份(fen)有限公(gong)司和(he)上海澤(ze)泉(quan)科(ke)技股份(fen)有限公(gong)司共同建設的開(kai)放式高通量植物(wu)(wu)基(ji)(ji)因型(xing)(xing)-表(biao)型(xing)(xing)-育(yu)(yu)種(zhong)服務平(ping)(ping)臺。中心建立(li)了(le)基(ji)(ji)因克隆和(he)載(zai)體平(ping)(ping)臺、作物(wu)(wu)轉(zhuan)化(hua)系統、基(ji)(ji)因型(xing)(xing)分析(xi)平(ping)(ping)臺、表(biao)型(xing)(xing)鑒定分析(xi)平(ping)(ping)臺、數(shu)據分析(xi)和(he)利用(yong)平(ping)(ping)臺等(deng)現(xian)代化(hua)生(sheng)物(wu)(wu)技術(shu)和(he)信(xin)息支持平(ping)(ping)臺，是定位于為(wei)植物(wu)(wu)科(ke)研和(he)作物(wu)(wu)育(yu)(yu)種(zhong)提(ti)供植物(wu)(wu)基(ji)(ji)因型(xing)(xing)-表(biao)型(xing)(xing)-育(yu)(yu)種(zhong)數(shu)據分析(xi)的科(ke)研服務平(ping)(ping)臺。為(wei)了縮短您的育(yu)種進程(cheng)，提高您的育(yu)種成功率(lv)，北(bei)大(da)荒墾豐(feng)種業(ye)-澤泉科技生物(wu)技術(shu)與(yu)表型服務中心將(jiang)為(wei)您提供水稻(dao)基因編輯(ji)服務。本方案利(li)用基(ji)因編輯(ji)酶(mei)系統(tong)編輯(ji)供試(shi)材料的(de)目(mu)的(de)基(ji)因，在(zai)不(bu)改(gai)變其他基(ji)因的(de)情況下(xia)迅速獲取一批目(mu)的(de)基(ji)因缺失型(xing)突變體。解決(jue)傳(chuan)統(tong)雜(za)交選(xuan)育中存在(zai)的(de)周期長，基(ji)因連(lian)鎖(suo)等(deng)難(nan)題。
靶向測序技術主(zhu)要分(fen)為基(ji)(ji)于多重(zhong)PCR的靶向基(ji)(ji)因捕(bu)獲技術（GenoPlexs）和基(ji)(ji)于液相探針雜交的靶向基(ji)(ji)因捕(bu)獲技術（GenoBaits）兩種。可(ke)完成(cheng)單樣品50-5000和3000-40000標記的基(ji)(ji)因型(xing)分(fen)析(xi)，并達到(dao)可(ke)設計(ji)區(qu)域覆蓋度(du)高(gao)于95%，擴增子均一性高(gao)于90%的捕(bu)獲效率。
GenoPlex基于多重PCR的靶(ba)向(xiang)基因(yin)捕(bu)獲技術方案
GenoBaits基于液相探針雜交的(de)靶(ba)向基因捕獲技術(shu)方(fang)案| 種質資源分(fen)析(xi) | 分子(zi)標(biao)記(ji)輔助選擇 |
| 分子標(biao)記輔助回交改(gai)良 | 全基因組選擇 |
| 全基因(yin)組(zu)關聯分析(xi) | 遺傳圖譜構建 |
| QTL定位 |
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高(gao)通量(liang)表型儀(yi)器和(he)服(fu)務(wu)方案(an)突(tu)變(bian)株作為(wei)育種的(de)(de)主要載體(ti)，篩選與鑒定(ding)工(gong)作復(fu)雜而繁重。高通量表型分析設備和(he)熒光成(cheng)像系(xi)統都可服務于突(tu)變(bian)株的(de)(de)篩選，具體(ti)體(ti)現在對(dui)一些物(wu)理誘變(bian)和(he)化(hua)學誘變(bian)產生的(de)(de)突(tu)變(bian)群(qun)體(ti)，定(ding)時觀(guan)察植株形態、顏色等變(bian)化(hua)，可以獲(huo)得大量的(de)(de)植物(wu)表型參(can)數(shu)，構建指(zhi)紋圖譜(pu)。此外，還可利用IMAGING-PAM熒光系(xi)統對(dui)植物(wu)幼苗進行(xing)光合特性測定(ding)，高效篩選突(tu)變(bian)單(dan)株。
小(xiao)麥(mai)拔(ba)節期側(ce)面成像分析(xi)圖
隨著植物(wu)(wu)生(sheng)物(wu)(wu)技術和基因工程(cheng)的發展，細胞遺傳操作(zuo)與(yu)農(nong)藝(yi)性狀改良顯得尤為重要。細胞遺傳操作(zuo)之(zhi)后(hou)導致農(nong)藝(yi)性狀例(li)如生(sheng)育(yu)期，株高，葉(xie)面(mian)積(ji)，果實重量(liang)等(deng)改變，均可以通(tong)(tong)過(guo)中心服(fu)務平臺高通(tong)(tong)量(liang)表型平臺進行分析。目前(qian)，平臺已針對(dui)小麥、水稻、玉(yu)米(mi)、黃瓜(gua)、番茄、辣椒、楊(yang)樹(shu)、丹參、擬南芥、煙草、蕎(qiao)麥等(deng)多種植物(wu)(wu)進行表型服(fu)務，服(fu)務內容(rong)涉及(ji)脅迫生(sheng)理，生(sheng)長模型構建、生(sheng)長勢評價等(deng)領域。如您(nin)需要了(le)解更多信息，請識別下方二維(wei)碼填寫登(deng)記表，我(wo)們會為您(nin)提(ti)供(gong)專業(ye)的服務，真誠(cheng)期待與您(nin)的合作！
