编辑推荐：
研究人员利用 CRISPR/Cas9 靶向突变 NUD 基因开发裸大麦，其或可用于麦芽酿造，意义重大。
# 基因编辑为裸大麦开发带来新突破
在农业的大舞台上，大麦一直扮演着重要角色，它是全球第四大谷类作物，用途广泛，既可以作为食物，又能用于麦芽生产和牲畜饲料。大麦有两种主要类型：覆盖大麦和裸大麦。一直以来，覆盖大麦凭借其外壳在收获时保护胚胎、酿造时充当过滤介质的特性，成为酿造行业的宠儿。然而，随着高性能过滤技术的发展，如醪液过滤器的出现，覆盖大麦外壳的重要性逐渐降低。与此同时，裸大麦因其潜在的高麦芽提取物含量、可能减少酿造废弃物以及赋予啤酒或威士忌更少不良风味等优势，开始进入人们的视野。但裸大麦含有较高水平的 β - 葡聚糖和多酚，这些成分在酿造过程中并不受欢迎。而且，将裸大麦的裸粒性状通过杂交引入酿造品种耗时费力，因为要去除那些从亲代转移来的不良性状并非易事。在这样的背景下，开发适合酿造的裸大麦种质成为了农业研究领域亟待解决的难题。
为了攻克这一难题，来自日本冈山大学（Institute of Plant Science and Resources, Okayama University）、日本国立农业和食品研究组织（National Agriculture and Food Research Organization）以及美国俄勒冈州立大学（Oregon State University）等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Molecular Breeding》上，为裸大麦的开发带来了新的希望。
研究人员开展的这项研究主要基于 CRISPR/Cas9 基因编辑技术。该技术是一种强大的靶向突变（targeted mutagenesis，也叫基因组编辑）工具，能够精确地对目标基因进行突变，同时最大程度减少对整体遗传背景的影响 。研究聚焦于大麦的 Nudum（NUD）基因，它位于大麦 7H 染色体上，编码一种乙烯响应转录因子，该因子与拟南芥中参与脂质生物合成的 WIN1/SHN1 转录因子相似。在覆盖大麦中，NUD 基因的功能使得颖果和外稃都覆盖有脂质，从而相互粘连；而 NUD 基因功能缺失则会导致大麦变成易于脱壳的裸大麦。
研究人员选用了来自俄勒冈承诺作图群体（Oregon Promise mapping population）的加倍单倍体大麦品系‘DH120366’，该品系由两个覆盖大麦麦芽品种杂交而来，具有良好的麦芽品质和较高的转化效率。研究人员利用 CRISPR/Cas9 系统，针对 NUD 基因设计了 10 个单向导 RNA（sgRNAs），通过农杆菌介导的转化方法，将构建好的载体导入大麦中，期望实现对 NUD 基因的敲除，进而培育出裸大麦品系。
在研究结果方面，研究人员成功获得了裸大麦植株。在 16 株经转化的潮霉素抗性植株中，他们发现了一株来自含有 sgRNA8 载体的植株‘nud #8’，其 NUD 靶位点发生了突变。播种该植株的 T?代种子后，研究人员通过测序鉴定出多种突变类型，包括 1 - bp 插入（nud #8–10）、13 - bp 缺失（nud #8–3）等。经过进一步的 PCR 检测和高通量测序，研究人员确认至少有一个 nud 突变系中不存在转基因。这一结果非常关键，因为在进行田间试验和作物推广之前，确认转基因的去除是必不可少的步骤。
在评估潜在脱靶位点时，研究人员通过 BLAST 搜索确定了可能的脱靶区域，然后对这些区域进行 PCR 扩增和 Sanger 测序。结果显示，在所有检测的 nud 突变体中均未发现脱靶突变。这表明 CRISPR/Cas9 系统在对 NUD 基因进行编辑时具有较高的特异性，减少了因脱靶效应可能带来的未知风险。
研究人员还对 nud 突变体的农艺性状进行了评估。他们将野生型和突变体植株在封闭生长室中培养，测量了茎长、千粒重和百升重等指标。结果发现，突变体的茎长和千粒重与野生型相比没有显著差异，虽然由于没有外壳，突变体的千粒重略低，但百升重显著高于野生型。在发芽率测试中，研究人员进行了多次实验，结果表明突变体的发芽率与野生型相近，这意味着 nud 突变并没有干扰大麦的发芽过程，为其在麦芽生产中的应用提供了重要的保障。
综合研究结论和讨论部分来看，这项研究具有重要意义。研究人员利用 CRISPR/Cas9 技术成功地将覆盖大麦转化为具有潜在麦芽酿造品质的裸大麦品系，且突变体除了谷壳性状外，其他性状与亲本相比变化较小。虽然由于生长环境限制，研究人员没有获得足够的谷物来详细分析麦芽和酿造特性，但他们对重要特性如发芽率的研究表明，这些突变体在麦芽酿造方面具有很大的潜力。而且，研究人员通过 PCR 基因分型、高通量测序和 Sanger 测序等方法，确认了转基因的去除和潜在脱靶突变的不存在，为后续的田间试验和商业化应用奠定了坚实的基础。这种利用基因编辑技术快速开发裸大麦种质的方法，不仅为大麦育种提供了新的思路和方法，也为其他作物的遗传改良提供了有益的参考，有望在未来的农业生产中发挥重要作用。
研究人员在研究过程中用到了几个关键技术方法。首先是 CRISPR/Cas9 系统，利用该系统设计 sgRNAs 靶向 NUD 基因进行编辑。其次是农杆菌介导的转化技术，用于将构建好的载体导入大麦基因组。另外，通过 PCR 技术检测转基因的存在与否，利用 Sanger 测序分析突变位点，采用高通量测序检测转基因及潜在脱靶位点 ，还通过封闭生长室种植实验评估农艺性状和发芽率。这些技术的综合运用，使得研究得以顺利开展并取得重要成果。
