PBJ | 中国农科院作物所叶兴国实验室利用CRISPR/Cas9编辑MS2基因实现矮败小麦育性完全...
近日，中国农业科学院作物科学研究所叶兴国实验室在植物学权威期刊《Plant Biotechnology Journal》在线发表了题为《Fertility recovery of wheat male sterility controlled by Ms2 using CRISPR/Cas9》的研究论文，首次报道了利用CRISPR/Cas9技术编辑Ms2基因完全恢复矮败小麦不育群体育性的研究结果，为从优良矮败小麦群体和太谷核不育小麦群体中培育新品种奠定了基础。
不育系是选育小麦新品种和利用小麦杂种优势的重要材料。太谷核不育小麦是40多年前由我国山西省太谷县农民育种家高忠丽在田间发现的特殊种质资源，没有花药和花粉，自交不结实（Deng et al., 1982）。太谷核小麦接受外来小麦花粉后，杂交后代中总是分离出一半可育株、一半与母本不育类型完全相同的不育株。后经中国农科院作科所邓景扬先生和刘秉华先生鉴定，太谷核不育小麦的育性由位于4DS染色体上的Ms2基因控制，表现为完全显性（Liu et al., 1986）。为了在小麦生长早期阶段区分不育株和可育株，刘秉华先生将4DS染色体上的不育基因Ms2与矮秆基因Rht10连锁，育成了矮败小麦（Liu et al., 1991）。目前为止，利用矮败小麦进行轮回选择育种，已经培育了多个优良小麦品种（Zhai et al., 2009)）。但是在基于矮败小麦的轮回选择育种程序中，小麦新品种只能从矮败群体衍生的优良可育材料中选择，优良矮败群体由于育性分离不能选育成为新品种。2017年，中国农科院作科所孔秀英团队和山东农业大学付道林团队同时克隆了小麦Ms2基因（Ni et al., 2017; Xia et al., 2017），为编辑矮败小麦和太谷核不育小麦中的Ms2基因提供了保障。
为了完全恢复优良矮败小麦和太谷核不育小麦的育性，叶兴国实验室根据Ms2基因的序列设计了g7721和g9448编辑靶点，构建了由TaU3启动子调控的表达载体（图A和B），利用该实验室之前优化的小麦基因编辑体系（Liu et al., 2020）编辑Ms2基因。以矮败济麦22与济麦22授粉后的杂种幼胚做为受体材料，经过农杆菌转化和筛选培养，获得了133株候选编辑植株。进一步对表现矮秆的T0代候选编辑植株进行PCR/RE检测和测序分析（图C和D），鉴定到12株编辑植株，其中，9株在g7721靶点发生了编辑，3株在g9448靶点发生了编辑，2个靶点的编辑效率分别为8.3%和2.3%，总编辑效率为9.0%。孕穗期和抽穗期检测及细胞学观察发现，表现矮秆的编辑植株携带Rht10基因，小花中含有完整花药，花粉粒具有正常活性（图E和F）。灌浆期表型观察发现，矮秆编辑植株正常结实（图G）。T1代编辑植株中，75%的植株（基因型为：ms2ems2e/Rht10Rht10和ms2ems2/Rht10rht10）表现为矮秆、可育，另外25%的植株（基因型为：ms2ems2/rht10rht10）由于Rht10基因的分离表现为高杆、可育（图H）。作者同时分析了编辑Ms2基因效率较低的原因，一是受体材料中有50%的无效编辑幼胚，二是另外50%的有效幼胚中携带来自父本的无效编辑等位基因ms2。
上述研究结果表明，利用基因编辑技术和染色体消除技术可以彻底恢复优良矮败小麦、太谷核不育小麦，以及携带Ms2基因小黑麦和硬粒小麦等不育群体的育性，培养具有优良农艺性状、品质性状和生物及非生物抗性的麦类作物新品种。上述研究结果也证明了Ms2基因克隆的精准性（Ni et al., 2017; Xia et al., 2017）。
小麦Ms2基因编辑突变体获得、检测和表型鉴定
中国农科院作科所在读博士研究生唐华丽和已毕业博士研究生刘会云为论文共同第一作者，王轲副研究员和叶兴国研究员为共同通讯作者，周阳研究员、刘宏伟副研究员和杜丽璞高级实验师为论文共同作者。该研究得到了国家重点研发计划和国家转基因重大专项等资助。
近几年来，实验室围绕小麦基因编辑体系优化和重要基因编辑开展了卓有成效的工作，创制了小麦单倍体诱导系、产量性状突变体等一些有育种应用价值的材料，相关论文分别在J Exp Bot、J Genet Genom、Crop J和Theor Appl Genet等刊物上发表或接受发表。
小麦族多组学网站：http://202.194.139.32