JIPB | 农科院作科所创制高产潜力的小麦新种质
中国农业科学院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夏兰琴课题组，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，定点敲除冬小麦品种郑麦7698中的 TaARE1 基因，获得了具有高产潜力的小麦新种质，为培育资源高效利用小麦品种提供了新途径，对于减少氮肥施用量，增加小麦产量，确保粮食安全和农业可持续发展具有重要意义。近日，JIPB上刊发了题为“Increasing yield potential through manipulating of an ARE1 ortholog related to nitrogen use efficiency in wheat by CRISPR/Cas9”（https://doi.org/10.1111/jipb.13151）的相关研究论文。
据夏兰琴研究员介绍，氮素是植物生长发育所需的基本营养素之一。农业实践中主要依靠大量施用氮肥提高小麦产量，满足人类不断增长的粮食需求。小麦“绿色革命”后，耐高肥和抗倒伏的半矮化品种的广泛种植虽然大幅度提高了小麦产量，却也存在氮素利用效率低的问题，大多数小麦品种对氮肥的利用效率不足40%（Li 等，2018）。长期过度使用氮肥不仅提高了种植成本，也加剧了环境污染和生态恶化。因此，提高氮素利用效率对小麦生产和未来农业的可持续发展至关重要。目前，利用基因编辑技术编辑氮素同化相关基因，进而提高小麦产量的研究还未见报道（Li 等，2021）。
ARE1是一个重要的氮素同化途径相关的负调控因子。水稻中ARE1的功能缺失型突变体可以延缓植株衰老并可在氮素有限的条件下提高水稻产量（Wang 等，2018）。该研究从冬小麦品种郑麦7698（ZM）中分离并鉴定了一个水稻ARE1同源基因，进一步分析了TaARE1三个同源基因（TaARE1-A、TaARE1-B、TaARE1-D）在小麦中的亚细胞定位和表达模式。然后通过CRISPR/Cas9技术靶向编辑TaARE1基因，经过后代分离，成功获得了一系列无转基因小麦taare1突变体，包括AABBdd，aabbDD，aaBBdd和aabbdd。在缺氮和不同供氮条件的水培营养液中，不同突变株系的根皮层细胞体积显著增大，细胞数量增加，尤其是AABBdd和aabbDD株系增加最为明显。该研究还发现在氮饥饿条件下，与野生型对照相比，不同的突变株系中参与氮素吸收、运输和同化的关键基因均被不同程度的诱导。田间试验结果表明，在同等种植条件下，与野生型对照相比，所有突变体的植株衰老明显延缓，粒长和千粒重均有明显增加；AABBdd、aabbDD和aaBBdd突变体的粒宽增加明显；而aabbdd三突突变体有部分顶部小穗不育现象；上述结果表明TaARE1基因的敲除有提高作物产量的潜力，AABBdd和aabbDD突变株系可以作为氮高效高产小麦新品种。因此，本研究首次利用基因组编辑技术定点编辑了TaARE1基因，获得了具有高产潜力的小麦新种质。该研究结果，为进一步通过基因组编辑技术调控氮素同化途径，提高小麦和主要粮食作物产量提供了新方法。
TaARE1基因的分子特征、郑麦7698品种中taare1缺失突变体创制及农艺性状分析
该研究背对背评审的题为“Genetic manipulations of TaARE1 boost nitrogen utilization and grain yield in wheat”的文章（https://doi.org/10.1016/j.jgg.2021.07.003），于7月19日在《Journal of Genetics and Genomics》在线发表，由中国科学院遗传与发育生物学研究所左建儒研究员、高彩霞研究员、李俊明研究员和中国科学院成都生物研究所王涛研究员合作完成。该文作者利用基因编辑技术在冬小麦品种科农199（KN199）中对TaARE1基因进行编辑，获得的不同突变体表现出延缓衰老的表型并可在氮素有限的条件下提高氮素利用效率和产量。两项研究表明了TaARE1基因在提高氮素利用效率和产量方面的潜力，为其他作物的遗传改良提供新思路。
作科所在读博士研究生张佳慧为论文的第一作者，夏兰琴研究员为通讯作者。该研究得到了国家基础科技研发计划、农业科技创新计划、中央公益性科研机构基金和中国农科院农科英才“领军人才”特支计划的资助。
参考文献
Li, S., Tian, Y., Wu, K., Ye, Y., Yu, J., Zhang, J., Liu, Q., Hu, M., Li, H., Tong, Y., Harberd, N. P., and Fu, X. (2018). Modulating plant growth-metabolism coordination for sustainable agriculture. Nature 560:595-600.
Li, S., Zhang, C., Li, J., Yan, L., Wang, N., and Xia, L. (2021). Present and future prospects of wheat improvement through genome editing and advanced technologies. Plant Commun. 100211.
Wang, Q., Nian, J., Xie, X., Yu, H., Zhang, J., Bai, J., Dong, G., Hu, J., Bai, B., Chen, L., Xie, Q., Feng, J., Yang, X., Peng, J., Chen, F., Qian, Q., Li, J., and Zuo, J. (2018). Genetic variations in ARE1 mediate grain yield by modulating nitrogen utilization in rice. Nat. Commun. 9:1-10.