华南农大庄楚雄课题组将CRISPR/Cas9编辑技术用于水稻育种

　　

生物通报道：杂交水稻育种为提高水稻产量，提供了一种重要的策略，其中雄性不育系的培育，是杂交育种成功的关键。CRISPR/Cas9系统已广泛应用于靶位点的基因组编辑，然而它们在作物遗传改良中的应用却鲜有报道。11月22日，在Nature子刊《Scientific Reports》发表的一项研究中，来自华南农业大学生命科学学院的庄楚雄教授带领的研究小组，利用CRISPR/Cas9系统，在TMS5基因中诱导特异性突变，这是中国应用最广泛的温敏型雄性不育（TGMS）基因。延伸阅读：华南农大克隆出水稻新温敏核不育基因；华南农业大学Nature子刊发表水稻研究新成果；遗传发育所等揭示杂交水稻温度敏感型雄性不育的分子机理。

水稻（Oryza sativa L.）是全球最重要的一种主食，提供了全球几乎四分之一的人类膳食能量供应。随着人口增长，对食品的需求将继续迅速增长，加上有限的耕地以及环境退化，在2030年将需要水稻产量增加40%。目前，杂交水稻已在全球超过40个国家进行培育，并在全球食品供应中起着关键的作用，有着超过常规水稻10%至20%的产量优势，在中国占水稻种植总面积的约60%以上。

在中国，利用三系和两系杂交育种系统培育出来的杂交水稻，在杂交水稻的生产中占有主导地位。三系杂交水稻系统，利用细胞质雄性不育（CMS）系、恢复系、保持系，来生产杂交种子和保持CMS系。恢复系携带特殊的CMS恢复系基因，以恢复特殊CMS系的育性。胞质不育相关的种质资源是有限的：在中国只有1%的水稻种质资源可以作为保持系，在东南亚只有5%的水稻种质携带CMS恢复系基因。

恢复系有限的遗传资源、三系杂交系统中CMS和恢复系较低的遗传多样性，阻碍了进一步的发展。两系育种系统利用光敏核雄性不育（PGMS）或温敏核雄性不育系（TGMS）作为有限条件下的不育系，或可供给条件下的保持系。几乎所有的正常水稻品种可以恢复PGMS和TGMS系的育性，从而提供了更广泛的遗传资源，以更好地利用水稻杂种优势。因此，与三系杂交系统相比，两系杂交系统的优点包括，节省劳动和节省时间、更好的品质和更高的产量、更高的效率和更简单的程序，用于育种和杂交种子生产。虽然两系杂交育种系统的开发比较晚，但它提供了优于三系杂交系统的基本优势，占中国杂交水稻种植面积总数的约1/3。

近年来，我们对于P /TGMS的认识已经获得了很大的进步，水稻中控制P/TGMS性状的几个基因已被克隆出来。Nongken58S，是在1973年首先确定的第一个PGMS水稻，在长日照条件下具有完整的雄性不育，在短日照条件下育性恢复。其PGMS是由pms1、pms2和pms3决定的。

使用传统的育种系统，培育一个新的商业雄性不育系通常需要几年，有时超过十年，使用现代基因工程技术可以大大减少繁殖时间。序列特异性核酸酶（SSN）可在特定的基因组位点诱导靶DNA双链断裂（DSBs），并促进DNA损伤修复的内源性途径，最后导致序列特异性的基因组编辑。作为一种新型的SSN，CRISPR/Cas9编辑系统已被用来在许多物种中敲除靶基因，包括植物。尽管如此，其在作物遗传改良中的应用仍然是罕见的。

在这项研究中，利用CRISPR/Cas9系统，该研究小组在TMS5基因中诱导了特异性突变，并开发了新的“清洁遗传改良”TGMS系。利用CRISPR/Cas9系统，研究人员在TMS5的编码区中设计了10个靶位点用于靶向诱变，并评估了打靶和脱靶效应的潜在频率。

最后，研究人员建立了最有效的构件——TMS5ab构件，用于培育潜在适用的“清洁遗传改良”TGMS系。研究人员还根据不同靶序列的特点，讨论了影响编辑效率的因素。值得注意的是，使用TMS5ab构件，研究人员开发了11个新的“清洁遗传改良” TGMS品系，仅在一年内就可能应用于两个水稻亚种的杂交育种。这一系统的应用，不仅显著加快了不育系的繁殖，而且也有利于杂种优势的利用。

（生物通：王英）

注：庄楚雄，研究员、博士生导师。1989年获得华南农业大学硕士学位，1996年获得华南农业大学遗传育种博士学位。2002年12月晋升为研究员，其中1997－1999年赴香港大学进行合作科研，2004年赴美国宾夕法尼亚州立大学进行合作科研。2004年入选为广东省“千百十”省级培养对象，2004年度教育部“****和创新团队发展计划”创新团队项目研究骨干，该团队被人事部和教育部评为2007年度全国教育系统先进集体。于2003年获得广东省科学技术奖一等奖一次（排名第三），于1990年和1996年分别获得广东省自然科学奖三等奖，排名分别为第四和第三。长期从事植物遗传学和分子生物学等方面的研究。近5年主持国家基金、国家973子项目，国家转基因重大专项和广东省科技厅团队项目等课题5项，合计经费超过500万。2011年至今，以通讯作者身份发表被SCI收录论文5篇，其中两篇的单篇影响因子都在在10.0以上，合计影响因子为32.164。
 
生物通推荐原文摘要：
Development of Commercial Thermo-sensitive Genic Male Sterile Rice Accelerates Hybrid Rice Breeding Using the CRISPR/Cas9-mediated TMS5 Editing System
Abstract：Hybrid rice breeding offers an important strategy to improve rice production, in which the cultivation of a male sterile line is the key to the success of cross-breeding. CRISPR/Cas9 systems have been widely used in target-site genome editing, whereas their application for crop genetic improvement has been rarely reported. Here, using the CRISPR/Cas9 system, we induced specific mutations in TMS5, which is the most widely applied thermo-sensitive genic male sterility (TGMS) gene in China, and developed new “transgene clean” TGMS lines. We designed 10 target sites in the coding region of TMS5 for targeted mutagenesis using the CRISPR/Cas9 system and assessed the potential rates of on- and off-target effects. Finally, we established the most efficient construct, the TMS5ab construct, for breeding potentially applicable “transgene clean” TGMS lines. We also discussed factors that affect the editing efficiency according to the characteristics of different target sequences. Notably, using the TMS5ab construct, we developed 11 new “transgene clean” TGMS lines with potential applications in hybrid breeding within only one year in both rice subspecies. The application of our system not only significantly accelerates the breeding of sterile lines but also facilitates the exploitation of heterosis.