近日，中国农业科学院作物科学研究所作物转基因及基因编辑技术与应用创新团队，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，定点敲除小麦品种郑麦7698中的 TaARE1 基因，获得了具有高产和氮高效利用潜力的小麦新种质，为培育资源高效利用小麦品种提供了新途径，对于减少氮肥施用量，增加小麦产量，确保粮食安全和农业可持续发展具有重要意义。7月16日，相关研究成果在《植物学报（Journal of Integrative Plant Biology）》上在线发表。
据夏兰琴研究员介绍，氮素是植物生长发育必须的营养素之一。农业实践中主要依靠大量施用氮肥提高小麦产量，满足人类不断增长的粮食需求。小麦“绿色革命”后，耐高肥和抗倒伏的半矮秆品种的广泛种植虽然大幅度提高了小麦产量，但长期过度使用氮肥不仅提高了种植成本，也加剧了环境污染和生态恶化。目前普遍存在品种氮素利用效率低的问题，大多数小麦品种对氮肥的利用效率不足40%。因此，提高氮素利用效率对小麦生产可持续发展至关重要。目前，利用基因编辑技术编辑氮素同化相关基因，提高小麦氮素利用效率的研究还未见报道。
ARE1 是一个重要的氮素同化途径的负调控因子。水稻中 ARE1 的功能缺失型突变体可以延缓植株衰老并可在氮素有限的条件下提高水稻产量。该研究从冬小麦品种郑麦7698中分离鉴定出水稻 ARE1 同源基因，分析了 TaARE1 三个同源基因（ TaARE1-A 、 TaARE1-B 、 TaARE1-D ）在小麦中的亚细胞定位和表达模式。进一步通过CRISPR/Cas9技术靶向编辑 TaARE1 基因，经过后代分离，成功获得了系列无转基因小麦 taare1 突变体，包括 AABBdd ， aabbDD ， aaBBdd 和 aabbdd 。在缺氮和不同供氮条件下的水培试验中，不同突变株系的根皮层细胞体积显著增大，细胞数量增加，尤其是 AABBdd 和 aabbDD 株系增加最为明显。研究还发现在氮饥饿条件下，与野生型对照相比，不同的突变株系中参与氮素吸收、运输和同化的关键基因均被不同程度的诱导。田间试验结果表明，在同等种植条件下，与野生型对照相比，所有突变体的植株衰老明显延缓，粒长和千粒重均有明显增加； AABBdd 、 aabbDD 和 aaBBdd 突变体的粒宽增加明显。中国科学院遗传与发育生物学研究所左建儒团队于7月20日在《遗传学报（Journal of Genetics and Genomics）》上也发表了同样的研究成果，对小麦品种科农199的 TaARE1 基因进行编辑，不同突变体表现出延缓衰老，并可在氮素有限的条件下提高氮素利用效率和产量。上述结果表明： TaARE1 基因的敲除有助于提高小麦氮素利用效率和产量， AABBdd 和 aabbDD 编辑小麦可以作为氮高效高产小麦新种质用于小麦品种改良。该研究结果为进一步通过基因组编辑技术调控氮素同化途径，提高小麦和其他粮食作物产量提供了新方法。
TaARE1基因的分子特征、郑麦7698品种中taare1缺失突变体创制及农艺性状分析
作科所在读博士研究生张佳慧为论文的第一作者，夏兰琴研究员为通讯作者。该研究得到了国家基础科技研发计划、农业科技创新计划、中央公益性科研机构基金和中国农科院农科英才“领军人才”特支计划的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1111/jipb.13151.
日期：2021-07-26
