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行雜交，通過分析其后代的表型變異，對目標(biāo)性狀改良的個體進行選擇來獲得具有理想性狀的品種。然而，傳統(tǒng)的育種方法是一個需要歷經(jīng)多代雜交的緩慢過程，這一過程往往需要數(shù)年時間才能獲得新品種，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染色體片段結(jié)合起來才能實現(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。現(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），但仍需改進來實現(xiàn)效益最大化。近日，比利時根特大學(xué)植物系統(tǒng)生物學(xué)中心研究團隊在《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靶定冗余基因家族中的多個成員。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)來加快植物育種的速度。研究團隊建立了一個利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)，并基于玉米、水稻和擬南芥中與植物生長調(diào)節(jié)功能保守的48個候選基因創(chuàng)建一套多重基因編輯的植物（即對多個不同的基因或特定的DNA位點進行編輯）。
圖1 BREEDIT——多重基因編輯方法
研究團隊利用多重CRISPR/Cas9基因組編輯工具對一組復(fù)雜性狀微效目標(biāo)基因進行編輯來創(chuàng)造遺傳變異（四個載體中的12個引導(dǎo)RNAs稱為SCRIPTs）。研究團隊通過高度多重（HiPlex）擴增子測序技術(shù)對超級轉(zhuǎn)化體植株（含有SCRIPT和Cas9 EDITOR載體，如圖1所示）進行基因分型，并通過相互雜交來產(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）。研究團隊利用高通量表型鑒定系統(tǒng)對分離后代進行重要農(nóng)藝性狀（例如產(chǎn)量潛力和耐旱性）的篩選。通過以上方式，研究團隊只需兩代就可以獲得并測試數(shù)量可觀的目標(biāo)性狀遺傳變異，從而加快了對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候選基因在植物發(fā)育過程中起到負調(diào)控的作用，這些負調(diào)控基因的功能缺失預(yù)期會對植物生長產(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)致營養(yǎng)器官生長增強，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)出更快的生長速度。總之，BREEDIT系統(tǒng)可以同時修飾和測試在植物生長中具有冗余功能基因家族的多個成員，這是一個高效且快速的工具。—— 參考文獻 ——
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(wù)+靶向測序服務(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。中心建立了基因克隆和載體平臺、作物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、基因型分析平臺、表型鑒定分析平臺、數(shù)據(jù)分析和利用平臺等現(xiàn)代化生物技術(shù)和信息支持平臺，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。為了縮短您的育種進程，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，基因連鎖等難題。
靶向測序技術(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?？赏瓿蓡螛悠?0-5000和3000-40000標(biāo)記的基因型分析，并達到可設(shè)計區(qū)域覆蓋度高于95%，擴增子均一性高于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)在對一些物理誘變和化學(xué)誘變產(chǎn)生的突變?nèi)后w，定時觀察植株形態(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)對植物幼苗進行光合特性測定，高效篩選突變單株。
隨著植物生物技術(shù)和基因工程的發(fā)展，細胞遺傳操作與農(nóng)藝性狀改良顯得尤為重要。細胞遺傳操作之后導(dǎo)致農(nóng)藝性狀例如生育期，株高，葉面積，果實重量等改變，均可以通過中心服務(wù)平臺高通量表型平臺進行分析。目前，平臺已針對小麥、水稻、玉米、黃瓜、番茄、辣椒、楊樹、丹參、擬南芥、煙草、蕎麥等多種植物進行表型服務(wù)，服務(wù)內(nèi)容涉及脅迫生理，生長模型構(gòu)建、生長勢評價等領(lǐng)域。如您需要了解更多信息，請識別下方二維碼填寫登記表，我們會為您提供專業(yè)的服務(wù)，真誠期待與您的合作！
