CRISPR技术加快非洲水稻种植驯化

2020-03-21 20:12:02

大米是世界一半人口的主要食物来源。该属由23个物种组成,其中两个,Oryza sativa和Oryza glaberrima,已被系统地栽培为粮食作物。Oryza sativa及其主要的两个亚种 indica 和japonica,分别在印度东北部和华东南部独立驯化,且均来自大约1万年前野生O.rufipogon种群。Glaberrima是在与野生祖先O.barthii分化之后形成的一个分支,仅在3000年前人们才在西非尼日尔河三角洲上游开始种植Glaberrima。

在15和16世纪左右,当非洲和印度之间的贸易蓬勃发展时,欧洲殖民者将O.sativa品种引入西非。随着时间的推移,O.sativa取代了当地驯化的水稻品种O.glaberrima的种植。其中许多O.sativa品种受到人类的选择,并在非洲当地条件下进化成具有适应性的陆地品种,但从未经受过密集、系统的育种驯化。在非洲O.sativa和O.glaberrima的材料都是用于低投入、最小机械化的农业种植,目的是供当地消费。非洲当地品种已被证明具有几个有价值的性状特征,非常适用于可持续和较低要求的农业生产。因为育种计划侧重于日益高产的亚洲水稻品种,所以致使非洲当地种质中存在的宝贵特征多年来一直被忽视。这些未被充分开发的性状包括杂草竞争力、光周期不敏感和对生物和非生物胁迫的抗性等。相反,低产量、破碎和倒伏是非洲大陆常存在的负面性状,这些在现代亚洲水稻品种中已经丢失。

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近期(2020.03.11),意大利米兰大学的研究人员在PLOS ONE 期刊上发表研究论文CRISPR-Cas9 Speeds Up Domestication of African Rice Landraces,制定了通过使用CRISPR-Cas9系统针对非洲水稻品种开展遗传转化及性状改良的方案。非洲的Oryza glaberrima和Oryza sativa由于适应非洲大陆的极端环境条件,被认为是有利性状的宝贵来源。与亚洲水稻品种相比,这些品种对地方病虫害均表现出优越的抗性,同时对干旱和营养缺乏表现出很强的耐受性。然而,针对这些非洲水稻的相关驯化性状,如种子粉碎、倒伏和种子产量在内的驯化性状还没有得到很好的评估鉴定。因此,在现代高产农业中采用这些非洲本地品种非常有限,主要是因为这些材料的种子产量和粮食质量难以预测,存在较大风险。为了解决这一问题,研究人员制定了使用CRISPR-Cas9改进非洲水稻开发方案。

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作为概念的证明,他们使用非洲当地种质资源Kabre,针对其“驯化性状的基因位点”进行改良,以提高其农艺性状的潜力。基于CRISPR-Cas9的载体的遗传转化导致了单个和同时几个基因被敲除。通过对HTD1基因的敲除,形成了高度降低以减少倒伏的新型水稻材料。同时,研究人员检测到三个控制种子大小和/或产量的位点(GS3、GW2和GN1A),然后使用多重CRISPR-Cas9结构对它们进行靶向,获得种子产量显著提高的突变体。

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该研究为人工方式加快地方品种驯化提供了一个很好的案例,说明新的育种技术如何能够加速发展高产的非洲当地水稻品种。因为非洲是世界人口增长的热点,更容易出现粮食短缺,所以这是一个相当重要科研进展。 


(来源:国科农研院,文献原文链接:https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.022978)