首页»农作物分子改良

服务介绍

借助于强大的生物信息学平台和完善的CRISPR编辑策略以及高效的遗传转化手段,我们着重开展具有重要农艺性状作物的分子改良合作。

合作内容  

各个平台相互协作,我们就是为了解决传统的遗传学手段如诱变、T-DNA插入很难实现的或者无法实现的事情。如:基因家族,基因超家族的敲除;非编码的RNA,如miRNA, lincRNA的敲除;细胞间通讯起重要作用的小肽信号分子整个家族的敲除。其实CRISPR不止可以敲除,其实它有很多很多在作物改良中的应用。

一、QTL类性状改良:

  1. 很多对农艺性状起重要作用的QTL并不是基因功能的完全丧失,而是基因表达的改变,或者蛋白活性的改变。比如IPA1GL2是编码区miRNA的结合位点有碱基的替换,导致了转录产物不受miRNA调控,从而使表达增高。因此可以采取单碱基替换的方式对这些基因进行编辑,这个我们在行。

  2. 另外很多的QTL克隆后发现是启动子区域,甚至是启动子上游很远的区域的缺失,插入变化影响了基因表达的高低,或者表达pattern的改变,比如SKC1GS5GW5等。因此利用CRISPR技术对启动子区域进行饱和突变,可以创造不同表达水平的等位基因突变株系,然后直接从后代找到可以应用的合理表达水平的株系,同时还可以对关键的顺式元件进行精细定位,这个我们在行。

  3. 有些QTL,比如Gn1a,完全突变后,表型太强,育种上不方便应用,CRISPR技术同样可以以碱基替换的方式,或者对启动子进行修饰用来创造不同强度的等位基因,这个我们也在行。

二、抗病育种改良:

   利用CRISPR基因编辑技术可以实现对抗性品种的快速培育。番茄白粉病是子囊菌和半知菌引起的真菌性病害。野生型的番茄含有Mlo位点(MILDEW RESISTANT LOCUS O)对白粉病表现敏感,自然界中存在着Mlo突变体,可具有抗性性状。但传统的回交转育过程耗时耗力。研究人员应用CRISPR/Cas9系统,获得了Mlo位点中的主效基因SlMlo1基因的纯合缺失突变植株。经过序列分析和表型验证,这些基因突变植株表现出对白粉病的良好抗性且没有脱靶效应。另外,经过后代分离,可以得到不含T-DNA载体的非转基因抗性植株。甚至,在番茄里我们直接可以应用原生质体诱导成苗技术,当代直接获得非转基因抗性改良植株。


三、抗除草剂作物改良

     传统抗除草剂作物获得是直接转化相应的抗性基因到作物核基因组上,或者采用诱变方法进行大规模诱变筛选获得有效抗除草剂抗性,其缺点要么是转基因材料无法推广,要么费时费力影响作物原有品质。目前,我们开发了一套亚细胞器、核基因定点突变手段,可以有效进行相关作物在亚细胞器和核基因组上的除草剂靶标基因进行定点突变筛选,筛选出有效抗除草剂植株,再经过后代分离,达到不含T-DNA载体的非转基因抗除草剂植株。


四、优良品种生育期改良

   来自中国农业科学院作物科学研究所侯文胜研究团队利用CRISPR/Cas9定点突变大豆GmFT2a基因的方法获得非转基因花期推迟突变体。该研究成果为进一步阐明大豆光周期开花的分子机制和大豆分子育种奠定了理论基础。


五、组培转化困难品种基因编辑改良

   作物一方农艺性状差,易于转化;另一方由于基因型限制转化效率低。比如说玉米,往往很多具有优良性状的自交系品种难以转化。研究人员通过构建易于组培转化材料引入编辑系统,然后杂交实现受体亲本目标基因编辑,在通过回交保证受体亲本背景纯合的育种流程,既避免了传统育种过程的繁杂,也突破了商业化品种由于组培转化困难而不能直接编辑的瓶颈。通过方法科研人员成功将CRISPR编辑系统导入受体亲本,突变了6个玉米品种的叶舌发育相关基因LG1LIGULELESS1)。最后,通过有限的回交背景选择完成了背景的纯合,获得了玉米叶夹角变小,株型更加紧凑利于密植的编辑后代。


六、品质改良育种

     Cellectis Plant Sciences公司的科学家Dan Voytas采用了基因组编辑技术获得称之为Ranger Russet的马铃薯。这种马铃薯不会在常规的低温储存过程中积累甜的糖类,这样马铃薯可以保存更长时间并且当它油炸时不会像其他品种那样产生丙烯酰胺这种致癌物质。美国农业部称Cellectis Plant Sciences公司的这款马铃薯产品不会受到类似于转基因作物那样的监管。这意味着Ranger Russet无需在围栏围起来的试验点进行测试并需要提供大量实验数据证明其安全性,其有可能可以快速进入市场。

政策支持:

 一个利好的消息是美国最权威的农产品检查认证机构美国农业部(USDA)对CRISPR编辑产生的作物不作为转基因监管(见下表红色批注)。2016年美国农业部宣布对宾夕法尼亚大学CRISPR-Cas9编辑过的防褐变蘑菇、杜邦先锋CRISPR玉米均与传统作物同样监管,这样就意味着无需通过该机构就可以栽培和销售这种蘑菇和玉米。这反映出即便在中国CRISPR改良的作物品种在应用和政策法规方面至少比单纯的转基因前途要光明,最少我国CRISPR改良的作物直接可以出口美国了。

   

     据统计,从1996年到2015年,转基因作物商业化正好经历了20年,这期间全球转基因作物累计种植面积达到20亿公顷,相当于中国国土面积的两倍,农民累计获益超过1500亿美元。另外,据《科技日报》报道,仅中国在农业转基因技术方面便已累计投入200亿元人民币。目前,2016年中央一号文件强调:加强农业转基因技术的研发和监管,在确保安全的基础上慎重推广。我国出台的《“十三五”国家科技创新规划》中也明确提出了,“十三五”期间要“加强作物抗虫、抗病、抗旱、抗寒基因技术研究,加大转基因棉花、玉米、大豆研发力度,推进新型抗虫棉、抗虫玉米、抗除草剂大豆等重大产品产业化,强化基因克隆、转基因操作、生物安全新技术研发。由此可见,中国转基因产业化前途光明。加上CRISPR-Cas9技术操作简单、成本低、效率高以及通用性强,已成功广泛应用于植物研究、育种中, 并在新一代无生物安全风险的转基因植物材料开发中展示了巨大的潜力,因此,对于CRISPR在育种上应用是势在必行。