不同農(nóng)藝性狀之間常常存在一種此消彼長的權(quán)衡效應(yīng)（trait trade-off），例如植物高產(chǎn)與抗病、高產(chǎn)與高品質(zhì)、產(chǎn)量因素間的負相關(guān)性等，使得這些優(yōu)異性狀難以兼得，也使得作物育種難以突破瓶頸。這種權(quán)衡效應(yīng)可能由連鎖累贅（linkage drag）或基因多效性（gene pleiotropy）引起。連鎖累贅可以通過基因的精細定位和交換重組來解決，然而，基因多效性引起的權(quán)衡效應(yīng)仍然沒有有效方法進行解除。此外，目前的基因功能研究主要關(guān)注了其產(chǎn)生的優(yōu)異表型，而忽略了其同時帶來的負效應(yīng)，使得育種實踐中發(fā)現(xiàn)這種負效應(yīng)難以破除，造成只有少量基因能夠得到很好利用。如何解決基因多效性造成表型間的權(quán)衡效應(yīng)，對于突破現(xiàn)有育種瓶頸有重要科學(xué)意義。

2022年4月21日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋/余泓團隊在Nature Biotechnology上發(fā)表了題為Targeting a gene regulatory element enhances rice grain yield by decoupling panicle number and size的研究論文，利用平鋪刪除?(tiling deletion)?策略在水稻中通過編輯關(guān)鍵基因的順式調(diào)控區(qū)成功實現(xiàn)了水稻產(chǎn)量關(guān)鍵要素間負相關(guān)性的解除，為創(chuàng)制全新遺傳資源打破水稻產(chǎn)量瓶頸提供了有效策略。

水稻是最重要的主糧作物之一，養(yǎng)活了世界一半以上的人口。水稻產(chǎn)量主要由三個核心要素決定：穗數(shù)、每穗粒數(shù)、粒重。然而，這三個性狀在水稻中通常呈負相關(guān)。IPA1（Ideal Plant Architecture 1）是此前李家洋團隊鑒定到的一個水稻株型調(diào)控的主效基因（Jiao?et al., 2010），編碼一個包含SBP-box結(jié)構(gòu)域的植物特異轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控水稻多方面生長發(fā)育過程，對抗病性和環(huán)境適應(yīng)性也有重要調(diào)控作用（Lu?et al., 2013; Wang?et al., 2017; Song?et al., 2017; Zhang?et al., 2017; Wang?et al., 2018）。其功能獲得基因型ipa1-1D和ipa1-2D能夠使穗部增大、無效分蘗減少、莖稈粗壯、根系發(fā)達，最終顯著提高產(chǎn)量，已廣泛應(yīng)用于優(yōu)良水稻品種的培育。但IPA1是一個典型的多效性基因，在增大穗部的同時使分蘗數(shù)降低，限制了其增加水稻產(chǎn)量的潛力。

為突破IPA1多效性造成的穗部和分蘗的制約關(guān)系，在此項最新的研究中，研究團隊提出了通過改造IPA1的順式調(diào)控區(qū)，分別調(diào)控其在幼穗、莖基部等各組織中的表達水平，實現(xiàn)不同表型的特異性調(diào)控，從而打破產(chǎn)量因素之間負效應(yīng)的策略。但由于之前技術(shù)方法的制約，對作物順式調(diào)控區(qū)功能的研究極為缺乏，而對IPA1順式調(diào)控區(qū)的功能研究也知之甚少。該團隊使用平鋪刪除(tiling deletion)的方法，通過多靶點CRISPR/Cas9對IPA1的順式調(diào)控區(qū)進行系統(tǒng)性高覆蓋度的片段刪除，創(chuàng)制出大量IPA1順式調(diào)控區(qū)平鋪刪除的基因編輯材料，并從中發(fā)掘出了一個可以同時提高分蘗數(shù)和穗粒數(shù)的編輯材料IPA1-Pro10及其對應(yīng)的54bp關(guān)鍵順式作用元件。IPA1-Pro10具有穗重和穗數(shù)同時增加、株高變高、莖稈和根系粗壯的表型。經(jīng)田間小區(qū)測產(chǎn)鑒定，IPA1-Pro10與對照品種中花11相比能夠增產(chǎn)15.9%，大大提高了水稻產(chǎn)量。隨后，該研究進一步闡明了IPA1順式調(diào)控區(qū)調(diào)控穗部表型的分子機制，發(fā)現(xiàn)馴化關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子An-1能通過結(jié)合54bp關(guān)鍵順式作用元件中的一個GCGCGTGT基序特異調(diào)控IPA1在幼穗的表達水平，進而特異調(diào)控穗部表型。

圖：打破性狀連鎖突破水稻產(chǎn)量瓶頸的分子機制

綜上，該研究為打破表型間制約關(guān)系提供了一種可行方法，為突破水稻產(chǎn)量瓶頸提供了新的遺傳資源與研究思路，是該領(lǐng)域的一項重要進展。未來對作物核心基因順式調(diào)控區(qū)的系統(tǒng)功能挖掘，有望為突破現(xiàn)有作物育種瓶頸提供新的分子機制與遺傳資源。

中科院遺傳發(fā)育所李家洋研究組宋曉光副研究員為該論文的第一作者，余泓研究員為通訊作者。論文得到國家自然科學(xué)基金委，中科院先導(dǎo)專項，海南省優(yōu)秀人才團隊的資助。

責(zé)編 | 奕樊 （BioArt植物）

往期精品(點擊圖片直達文字對應(yīng)教程)

機器學(xué)習(xí)

后臺回復(fù)“生信寶典福利第一波”或點擊閱讀原文獲取教程合集

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Nature Biotechnol | 李家洋/余泓团队利用平铺删除策略打破性状连锁，突破水稻产量瓶颈...的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。