PBJ | 作科所利用基因编辑技术创制出高抗性淀粉小麦新种质

近日，作物科学研究所作物转基因及基因编辑技术与应用创新团队，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，定点编辑敲除冬小麦品种郑麦7698和春小麦品种Bobwhite中的SBEIIa基因，分别获得了高抗性淀粉的冬、春小麦新种质，为培育营养功能型小麦新品种提供了新途径。相关研究成果于11月25日在国际植物学知名期刊《Plant Biotechnology Journal（植物生物技术杂志）》上在线发表。

淀粉是小麦籽粒的主要组成部分，占小麦胚乳重量的80%以上。淀粉是由直链淀粉和支链淀粉组成，其中直链淀粉约占15%-25%，支链淀粉约占 75%-85%。抗性淀粉(resistant starch)又称抗酶解淀粉或难消化淀粉，主要存在于高直链、低支链淀粉颗粒中，其含量与高直链淀粉含量呈直线正相关。研究发现抗性淀粉具有调节、保护小肠，防止糖尿病和脂肪堆积以及促进锌、钙、镁离子的吸收等功能，是一种非常重要的膳食纤维资源，对于改善人类健康、降低糖尿病、高血脂和肥胖症等多种慢性疾病风险具有重要意义。目前，培育高抗性淀粉谷物作物已成为国内外育种和功能食品研究热点。然而，由于缺乏高抗性淀粉小麦种质资源，利用常规技术难以培育高抗性淀粉小麦品种。利用基因编辑创制高抗性淀粉小麦的研究，目前尚未见国内外相关报道。

淀粉分支酶（Starch branching enzyme，SBE）是直接参与支链淀粉生物合成的关键酶，研究表明抑制小麦SBEIIa基因的表达可显著提高直链淀粉含量。该研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，在冬小麦郑麦7698和春小麦Bobwhite两个品种中定点编辑TaSBEIIa基因，经过后代分离筛选，成功获得郑麦7698系列无转基因突变体，包括AAbbDD、AABBdd、aabbDD、AAbbdd、aaBBdd和aabbdd，在春小麦Bobwhite中获得了无转基因AAbbdd和aabbdd两个突变体。分析发现TaSBEIIa基因编辑具有剂量叠加效应，其中，两个品种aabbdd三缺失突变体和Bobwhite的AAbbdd突变体显著影响淀粉颗粒大小和形态、支链淀粉的精细结构、淀粉的理化和营养特性。aabbdd三缺失突变体的直链淀粉、抗性淀粉、可溶性戊聚糖和蛋白质含量显著增加。消化后，还原糖含量显著降低，说明创制的高直链淀粉小麦具有潜在的营养保健功能。该研究结果为进一步通过基因组编辑技术，提高谷类作物抗性淀粉含量提供了依据。

图：冬小麦郑麦7698和春小麦Bobwhite不同sbeIIa缺失突变体创制、农艺性状、淀粉大小和结构及其理化和营养特性

作科所在读博士研究生李晶莹，中国水稻所副研究员焦桂爱，作科所已毕业博士研究生孙永伟和作科所副研究员陈隽为本文共同第一作者，夏兰琴研究员和马有志研究员为本文共同通讯作者，南京农业大学姜东教授和仲迎鑫博士也参与了本项研究。该研究得到国家基础科技研发计划、转基因重大专项和中国农科院创新工程与‘农科英才’特支计划项目资助。