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传统育种提升水稻产量和品质耗时且困难。研究人员利用 CRISPR/Cas9 技术敲除水稻中 GS3和 GW5基因，发现敲除突变体的粒长、千粒重等有显著变化。该研究为水稻育种提供了新靶点，意义重大。
在全球人口不断增长的今天，粮食安全问题愈发重要。水稻作为世界上超过一半人口的主食，其产量和品质直接关系到人们的生活质量。然而，通过传统育种方式来提高水稻的产量和品质，就像是一场艰难的马拉松，不仅耗时漫长，而且充满挑战。传统育种往往需要经过多代的杂交、筛选，过程繁琐且不确定性高，难以快速满足人们对优质、高产水稻的需求。因此，寻找新的育种技术和基因靶点迫在眉睫。
在这样的背景下，中国国家水稻研究所的研究人员挺身而出，开展了一项极具意义的研究。他们聚焦于水稻中两个关键基因 —— 粒长基因 3（grain size 3，GS3）和粒宽基因 5（grain width 5，GW5），利用 CRISPR/Cas9 介导的多重基因组编辑方法进行研究。研究结果表明，gs3-1敲除突变体产生了细长的谷粒，粒长和粒型显著增加；gw5-2敲除突变体则表现出千粒重的提高。同时，研究还发现这两种敲除突变体在每株穗数、穗长等方面与野生型相比有显著变化，并且对稻米的直链淀粉含量（amylose content，AC）、胶稠度（gel consistency，GC）以及垩白率也有不同程度的影响。这一研究成果发表在《Ecological Genetics and Genomics》上，为水稻的遗传改良和育种提供了新的思路和靶点，对于保障全球粮食安全具有重要意义。
研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。首先，利用 CRISPR/Cas9 系统进行基因编辑，通过精心设计向导 RNA（guide RNA，gRNA），精准靶向GS3和GW5基因的第一个外显子区域，构建敲除载体。然后，将构建好的载体转化到野生型水稻品种中嘉早 17（YK17）中。最后，在自然条件下种植突变体和野生型植株，对其进行表型分析和各项指标测定。
1. 植物材料和生长条件
研究人员选择在位于中国杭州的中国国家水稻研究所稻田（30°03′N，119°57′E）自然条件下种植GS3和GW5敲除突变体（gs3-1和gw5-2）以及野生型中嘉早 17（YK17）。种植时，严格控制行距为 20 厘米，株距为 15 厘米，并按照标准的栽培方法进行水、肥等田间管理。通过这样的种植方式，为后续研究提供了稳定且具有可比性的实验材料。
2. 载体构建、gRNA 设计和转化
CRISPR/Cas9 系统是研究的核心技术。研究人员针对GS3和GW5基因，将 gRNA 的靶序列巧妙地定位在各自基因的第一个外显子上，这样的设计有利于产生GS3和GW5突变的无效等位基因。之后，构建 CRISPR/Cas9 基因编辑载体，将为GS3和GW5靶点设计的两个单链引导 RNA（single guide RNA，sgRNA）整合到载体中，并转化到 YK17 中，从而获得基因编辑的水稻植株。
3. 利用 CRISPR/Cas9 系统对GS3和GW5的表征
研究发现，GS3和GW5基因作为粒长和粒宽（grain length and grain width，GLGW）的负调控因子，是基因编辑提高粒长（grain length，GL）和粒宽（grain width，GW）的潜在靶点。通过对突变体的研究，观察到gs3-1敲除突变体的谷粒细长，粒长和粒型显著增加；gw5-2敲除突变体的千粒重提高。但同时，两种敲除突变体在每株穗数、穗长方面均比 YK17 显著减少。在稻米品质方面，gs3-1敲除突变体降低了直链淀粉含量，提高了最高胶稠度；gw5-2敲除突变体则表现出较高的直链淀粉含量和较低的胶稠度，并且gs3-1敲除突变体的垩白率显著降低。
研究结论表明，CRISPR/Cas9 技术为水稻育种提供了高效的基因编辑手段。GS3和GW5基因在调控水稻粒长、粒宽、千粒重以及稻米品质方面起着关键作用，是水稻遗传改良的重要靶点。通过对这两个基因的编辑，可以在一定程度上实现对水稻产量和品质的优化。然而，研究也发现基因编辑后存在一些负面效应，如每株穗数和穗长的减少，这可能会影响整体产量，需要在后续的育种工作中进一步平衡和优化。
这项研究不仅揭示了GS3和GW5基因的功能，还为水稻育种开辟了新的路径。未来，有望基于此研究成果，结合其他育种技术，培育出产量更高、品质更优的水稻品种，为全球粮食安全做出更大的贡献。
