多重基因編輯系統(tǒng)+高通量基因型鑒定+高通量表型鑒定=復(fù)雜數(shù)量性狀改良新策略
縱觀農(nóng)業(yè)歷史，人類一直在選擇具有更高產(chǎn)量或者更好的地區(qū)適應(yīng)性等特性的植物。傳統(tǒng)的育種方法依賴于對(duì)遺傳變異的利用。通常情況下，育種家將具有有利農(nóng)藝性狀的不同植株進(jìn)行雜交，通過分析其后代的表型變異，對(duì)目標(biāo)性狀改良的個(gè)體進(jìn)行選擇來(lái)獲得具有理想性狀的品種。然而，傳統(tǒng)的育種方法是一個(gè)需要?dú)v經(jīng)多代雜交的緩慢過程，這一過程往往需要數(shù)年時(shí)間才能獲得新品種，而且新的品種常常只是適度的改良。此外，一些與產(chǎn)量有關(guān)的性狀是由發(fā)育過程中具有冗余功能的多個(gè)基因控制的，或者是由許多處于同一調(diào)控途徑不同的微效基因控制的，這意味著必須將幾個(gè)染色體片段結(jié)合起來(lái)才能實(shí)現(xiàn)較大的品種改善?，F(xiàn)代基因組學(xué)工具有望極大地提高植物育種的速度和精度?，F(xiàn)代基因組學(xué)工具有望極大地提高植物育種的速度和精度（比如基因編輯工具），但仍需改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)效益最大化。近日，比利時(shí)根特大學(xué)植物系統(tǒng)生物學(xué)中心研究團(tuán)隊(duì)在《The Plant Cell》在線發(fā)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(lái)靶定冗余基因家族中的多個(gè)成員。BREEDIT新工具通過加速挖掘控制重要農(nóng)藝性狀（如產(chǎn)量和抗逆性）的遺傳基礎(chǔ)來(lái)加快植物育種的速度。研究團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)，并基于玉米、水稻和擬南芥中與植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)功能保守的48個(gè)候選基因創(chuàng)建一套多重基因編輯的植物（即對(duì)多個(gè)不同的基因或特定的DNA位點(diǎn)進(jìn)行編輯）。
圖1 BREEDIT——多重基因編輯方法
研究團(tuán)隊(duì)利用多重CRISPR/Cas9基因組編輯工具對(duì)一組復(fù)雜性狀微效目標(biāo)基因進(jìn)行編輯來(lái)創(chuàng)造遺傳變異（四個(gè)載體中的12個(gè)引導(dǎo)RNAs稱為SCRIPTs）。研究團(tuán)隊(duì)通過高度多重（HiPlex）擴(kuò)增子測(cè)序技術(shù)對(duì)超級(jí)轉(zhuǎn)化體植株（含有SCRIPT和Cas9 EDITOR載體，如圖1所示）進(jìn)行基因分型，并通過相互雜交來(lái)產(chǎn)生一組具有全部基因敲除組合可能的的編輯植株。除了回交和自交外，改進(jìn)后的基因編輯植株雜交方案還包括SCRIPT內(nèi)雜交（即同一SCRIPT產(chǎn)生的同一基因家族的互補(bǔ)性突變）和SCRIPT間雜交（即由不同SCRIPT產(chǎn)生的不同基因家族的突變）。研究團(tuán)隊(duì)利用高通量表型鑒定系統(tǒng)對(duì)分離后代進(jìn)行重要農(nóng)藝性狀（例如產(chǎn)量潛力和耐旱性）的篩選。通過以上方式，研究團(tuán)隊(duì)只需兩代就可以獲得并測(cè)試數(shù)量可觀的目標(biāo)性狀遺傳變異，從而加快了對(duì)具有性狀改良的特定基因變異組合的鑒定。本研究中利用的幾個(gè)候選基因在植物發(fā)育過程中起到負(fù)調(diào)控的作用，這些負(fù)調(diào)控基因的功能缺失預(yù)期會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生積極影響。然而，由SCRIPT1（靶標(biāo)基因涉及赤霉素分解代謝過程）產(chǎn)生的多重基因敲除導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)器官生長(zhǎng)增強(qiáng)，但生殖器官出現(xiàn)異常，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)化體后代的雄性不育。另一方面，SCRIPT2（靶標(biāo)基因涉及細(xì)胞分裂素代謝過程，以前曾被證明參與了植物早期發(fā)育階段的干旱脅迫反應(yīng)）產(chǎn)生多重基因敲除在缺水的條件下展現(xiàn)出更快的生長(zhǎng)速度。總之，BREEDIT系統(tǒng)可以同時(shí)修飾和測(cè)試在植物生長(zhǎng)中具有冗余功能基因家族的多個(gè)成員，這是一個(gè)高效且快速的工具。—— 參考文獻(xiàn) ——
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(wù)+靶向測(cè)序服務(wù)+高通量表型儀器和服務(wù)方案北大荒墾豐種業(yè)-澤泉科技生物技術(shù)與表型服務(wù)中心是由北大荒墾豐種業(yè)股份有限公司和上海澤泉科技股份有限公司共同建設(shè)的開放式高通量植物基因型-表型-育種服務(wù)平臺(tái)。中心建立了基因克隆和載體平臺(tái)、作物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、基因型分析平臺(tái)、表型鑒定分析平臺(tái)、數(shù)據(jù)分析和利用平臺(tái)等現(xiàn)代化生物技術(shù)和信息支持平臺(tái)，是定位于為植物科研和作物育種提供植物基因型-表型-育種數(shù)據(jù)分析的科研服務(wù)平臺(tái)。為了縮短您的育種進(jìn)程，提高您的育種成功率，北大荒墾豐種業(yè)-澤泉科技生物技術(shù)與表型服務(wù)中心將為您提供水稻基因編輯服務(wù)。本方案利用基因編輯酶系統(tǒng)編輯供試材料的目的基因，在不改變其他基因的情況下迅速獲取一批目的基因缺失型突變體。解決傳統(tǒng)雜交選育中存在的周期長(zhǎng)，基因連鎖等難題。
靶向測(cè)序技術(shù)主要分為基于多重PCR的靶向基因捕獲技術(shù)（GenoPlexs）和基于液相探針雜交的靶向基因捕獲技術(shù)（GenoBaits）兩種。可完成單樣品50-5000和3000-40000標(biāo)記的基因型分析，并達(dá)到可設(shè)計(jì)區(qū)域覆蓋度高于95%，擴(kuò)增子均一性高于90%的捕獲效率。
GenoPlex基于多重PCR的靶向基因捕獲技術(shù)方案
GenoBaits基于液相探針雜交的靶向基因捕獲技術(shù)方案| 種質(zhì)資源分析 | 分子標(biāo)記輔助選擇 |
| 分子標(biāo)記輔助回交改良 | 全基因組選擇 |
| 全基因組關(guān)聯(lián)分析 | 遺傳圖譜構(gòu)建 |
| QTL定位 |
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突變株作為育種的主要載體，篩選與鑒定工作復(fù)雜而繁重。高通量表型分析設(shè)備和熒光成像系統(tǒng)都可服務(wù)于突變株的篩選，具體體現(xiàn)在對(duì)一些物理誘變和化學(xué)誘變產(chǎn)生的突變?nèi)后w，定時(shí)觀察植株形態(tài)、顏色等變化，可以獲得大量的植物表型參數(shù)，構(gòu)建指紋圖譜。此外，還可利用IMAGING-PAM熒光系統(tǒng)對(duì)植物幼苗進(jìn)行光合特性測(cè)定，高效篩選突變單株。
實(shí)驗(yàn)室植物表型成像系統(tǒng)
隨著植物生物技術(shù)和基因工程的發(fā)展，細(xì)胞遺傳操作與農(nóng)藝性狀改良顯得尤為重要。細(xì)胞遺傳操作之后導(dǎo)致農(nóng)藝性狀例如生育期，株高，葉面積，果實(shí)重量等改變，均可以通過中心服務(wù)平臺(tái)高通量表型平臺(tái)進(jìn)行分析。目前，平臺(tái)已針對(duì)小麥、水稻、玉米、黃瓜、番茄、辣椒、楊樹、丹參、擬南芥、煙草、蕎麥等多種植物進(jìn)行表型服務(wù)，服務(wù)內(nèi)容涉及脅迫生理，生長(zhǎng)模型構(gòu)建、生長(zhǎng)勢(shì)評(píng)價(jià)等領(lǐng)域。如您需要了解更多信息，請(qǐng)識(shí)別下方二維碼填寫登記表，我們會(huì)為您提供專業(yè)的服務(wù)，真誠(chéng)期待與您的合作！
