近日，山东省农业明升体育app院作物研究所研究员李根英领衔的小麦分子育种创新团队在《植物生物技术杂志》发表研究论文。该研究选取了与小麦加工品质密切相关的4个基因（籽粒硬度基因pinb、淀粉品质基因waxy、面粉色泽基因psy和面团褐变基因ppo），利用农杆菌介导的CRISPR/Cas9系统对其进行精准打靶，经过多代纯合和鉴定，获得不含外源转基因成分的基因编辑新种质，为小麦品质育种提供了新的基因资源。
小麦为世界60%以上人口提供大量的碳水化合物和蛋白质。随着经济的持续发展，人们对面制品加工品质要求越来越高，优质专用小麦品种的需求越来越大。籽粒品质与加工品质密切相关，是多基因共同作用的结果。培育突破性的优质小麦品种，需要突破性的基因资源，然而自然界已经发现的优异等位基因远远不能满足育种者的需求。基于CRISPR/Cas9的基因组编辑技术的出现，为小麦提供了快速、准确地创造更多新等位基因变异机会。
籽粒硬度是面包小麦的重要指标，也是国际小麦分级的依据，它与面粉吸水率密切相关。Pinb基因是位于染色体5DS上的单拷贝基因，是决定籽粒硬度关键基因之一，其缺失或突变都会导致籽粒质地变硬。该研究在pinb基因编码区设计了靶向sgRNA，进行小麦遗传转化。在T0植株中未检测到突变，但在T1株系中出现了34bp的缺失突变，编辑比例6.82%~38.72%，野生型比例较大。T2代编辑效率进一步提高，最高编辑比例达92.26%，在T3代达到了纯合。受体品种fielder的SKCS指数由18.2提高到73.4，大大提高其籽粒硬度，一步将软质小麦变成了硬质小麦。该突变在编码区发生了34bp的缺失，是迄今为止在普通小麦pinb基因第一个大片段缺失材料，拓宽了小麦籽粒硬度改良的遗传资源。
籽粒淀粉组分对小麦面制品尤其是面条品质有重要影响。Waxy是小麦胚乳直链淀粉合成的关键酶，分别由位于7A、4A和7D染色体上的Wx-A1、Wx-B1和Wx-D1编码。为了获得新的waxy基因资源，研究人员设计了一个靶向waxy基因第二外显子的sgRNA。序列扩增和分析证实受体材料fielder属于Wx-B1缺失类型。突变体waxy-2在A和D基因组中均发现1-bp的缺失，导致翻译提前终止，该突变可以稳定遗传，并未产生新的突变类型，在T2代达到纯合。碘染色实验表明，对照籽粒横截面中的胚乳变为深蓝色，而waxy-2变为红棕色，这是糯小麦的典型特征。上述结果表明，研究人员成功地对waxy基因进行了编辑，获得了新的等位基因，大大降低直链淀粉含量，将非糯小麦一步转化为糯小麦。
多酚氧化酶（PPO）活性和黄色素含量（YPC）是决定面制品颜色的两个重要参数。多酚氧化酶容易造成面团褐变，影响面制品的外观。因此，培育低PPO活性小麦品种一直是小麦育种的重要目标。研究人员设计了一个同时靶向小麦A、B和D基因组编码区的sgRNA，突变体ppo-7在A、B和D基因组都检测到同一类型的2-bp缺失，并且在T3代出现纯合，其籽粒PPO活性为1.24U?g-1min-1，比受体fielder籽粒PPO活性（9.0U?g-1min-1）显著降低，突变体中ppo基因的编辑比例与PPO活性呈负相关。八氢番茄红素合酶（PSY）是催化类胡萝卜素生物合成的一个重要步骤，通常被认为是该途径中最重要的调节酶。研究人员设计了一个sgRNA靶向PSY-7A、7B和7D的编码区。选择在A、B和D基因组上都有“T”插入的突变体psy-13用于后续研究。突变体编辑比例与YPC含量呈负相关，T2植株的编辑比例为46.29%~71.53%，YPC含量为2.33mg/kg，T3纯合突变体的平均值为1.68mg/kg，显著低于WT（2.81mg/kg）。
综上，该研究选取了与小麦籽粒硬度、淀粉品质和面团颜色相关的pinb、waxy、ppo和psy等4个籽粒品质相关基因，利用农杆菌介导的CRISPR/Cas9系统对其进行精准打靶，获得了具有新优异等位基因的小麦新种质。（来源：明升官网明升体育app报 王方）
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