Rice Science 發表水稻基因組編輯專輯_風聞

近年來，基因編輯的興起為植物生物學和農作物育種提供了新思路，對推動農業生產做出了重要貢獻。近期，Rice Science 發表了水稻基因組編輯專輯，本專輯精選了Rice Science 2019年第2期出版的基因組編輯研究相關論文，介紹了基因編輯系統的改進和優化以及該技術在水稻分子研究和育種中的應用。在該專輯的論文中，研究者通過啓動子優化和水稻密碼子優化，分別優化了高效的轉基因自清除基因編輯系統（TKC）和腺嘌呤鹼基編輯系統（ABE-nCas9），提高了基因編輯系統在水稻中的編輯效率。此外，研究者通過基因編輯技術編輯 ISA1 和 OsNAC041 基因，系統研究了目標基因的生物學功能；利用基因編輯技術分別編輯 OsLCT1，OsNramp5，Wx 和 PTGMS 2-1 等目標基因，分別快速獲得了低鎘、糯稻、兩系不育系水稻材料。中國農科院中國水稻研究所水稻生物學國家重點實驗室王克劍研究員為該專輯的責任編輯。

本專輯論文介紹

Development and Application of CRISPR/Cas System in Rice

REN Jun, HU Xixun, WANG Kejian, WANG Chun

Rice Science, 2019, 26(2): 69−76

http://dx.doi.org/10.1016/j.rsci.2019.01.001

CRISPR/Cas基因編輯系統在水稻中的發展及應用

近年來，CRISPR/Cas系統作為一種簡單高效的基因組編輯工具，在多種原核生物和真核生物中都被證明可有效進行定點基因編輯。本文主要關注CRISPR/Cas系統在水稻中的發展及應用情況，包括在水稻中應用的各種CRISPR/Cas種類和變體、多基因編輯策略、基因精準插入和替換的方法、單鹼基編輯系統的研究、以及特異基因的表達調控等等。本文也討論了CRISPR/Cas應用的生物安全問題，關於無外源DNA污染基因編輯技術的發展及脱靶率的影響。可見，CRISPR/Cas基因組編輯系統的發展及應用將為水稻生物學的基礎研究及水稻育種帶來重大革命。

Editing of Rice Isoamylase Gene ISA1 Provides Insights into Its Function in Starch Formation

CHAO Shufen, CAI Yicong, FENG Baobing, JIAO Guiai, SHENG Zhonghua, LUO Ju, TANG Shaoqing, WANG Jianlong, HU Peisong, WEI Xiangjin

Rice Science, 2019, 26(2): 77−87

http://dx.doi.org/10.1016/j.rsci.2018.07.001

異澱粉酶基因ISA1 的定向編輯對稻米品質的影響

異澱粉酶ISA1在水稻支鏈澱粉合成與修飾中起着重要的作用，本研究通過CRISPR/Cas9基因編輯技術定點編輯 ISA1，獲得T0代純合突變體，並對錶型穩定的T1代純合突變體進行研究，以其進一步分析ISA1 基因在澱粉合成過程中的作用。與野生型相比，兩個突變體cr-isa1-1、 cr-isa1-2籽粒褶皺，粒長增加，糙米粒厚和千粒重顯著降低。突變體胚乳中複合澱粉顆粒發育異常，無明顯澱粉粒結構。説明ISA1 基因在澱粉合成的起始階段發揮作用。另外，兩個突變體的總澱粉含量分別降低了34.4%和40.0%，直鏈澱粉含量幾乎為0，支鏈澱粉的含量降低，可溶性糖的含量分別是野生型的4.3倍和4.5倍；兩個突變體的膠稠度均顯著高於野生型，糊化温度與野生型相比均極顯著降低。該研究結果證明ISA1 在支鏈澱粉與總澱粉的合成及理化性質調控中起着重要的作用。

Characterization and Evaluation of OsLCT1 and OsNramp5 Mutants Generated Through CRISPR/Cas9-Mediated Mutagenesis for Breeding Low Cd Rice

LIU Songmei, JIANG Jie, LIU Yang, MENG Jun, XU Shouling, TAN Yuanyuan, LI Youfa, SHU Qingyao, HUANG Jianzhong

Rice Science, 2019, 26(2): 88−97

http://dx.doi.org/10.1016/j.rsci.2019.01.002

CRISPR/Cas9介導的低Cd水稻突變體Oslct1 和Osnramp5 的鑑定與評價

為探討水稻如何能夠在鎘污染土壤中安全生產，本研究採用CRISPR/Cas9介導的誘變方法，獲得了Oslct1 和Osnramp5 突變株。對Oslct1 突變體（lct1×1）和OsNramp5 突變體（nramp5×7和nramp5×9）中的1個和2個進行了籽粒鎘積累和農藝性狀的評價。在鎘含量約為0.9 mg/kg的水田土壤中，lct1×1 籽粒約含有野生型親本鎘濃度的40%（0.17 mg/kg），低於中國食品安全標準（0.20 mg/kg）。兩個OsNramp5 突變體在水稻（約0.9 mg/kg cd）或在土壤中添加2 mg/kg cd的盆栽中均表現出較低的籽粒cd積累（< 0.06 mg/kg）。然而，只有nramp5×7 的生長和產量正常，而nramp5×9 的生長嚴重受損。研究表明，在輕度污染的水稻土壤中，lct1×1可用於生產供人食用的安全稻穀，而在鎘含量較高的土壤中，nramp5×7 則可用於生產。

Targeted Mutagenesis of NAC Transcription Factor Gene, OsNAC041, Leading to Salt Sensitivity in Rice

WANG Bo, ZHONG Zhaohui, ZHANG Huanhuan, WANG Xia, LIU Binglin, YANG Lijia, HAN Xiangyan, YU Deshui, ZHENG Xuelian, WANG Chunguo, SONG Wenqin, CHEN Chengbin, ZHANG Yong

Rice Science, 2019, 26(2): 98−108

http://dx.doi.org/10.1016/j.rsci.2018.12.005

定向敲除水稻NAC家族轉錄因子OsNAC041 導致水稻植株對鹽產生敏感性

鹽脅迫是影響植物生長非常重要的非生物脅迫因素。已發現一些植物轉錄因子家族基因參與響應鹽脅迫反應。在本研究中，我們利用CRISPR/Cas9技術獲得osnac041 突變體，敲除後植株高度高於野生型，同時敲除OsNAC041 會影響鹽脅迫下種子的萌發並且突變體鹽敏感性增加。此外，RNA-seq分析揭示了OsNAC041 的敲除引起了很多基因發生顯著的差異表達，這些差異表達基因參與了很多重要的信號通路途徑。其中影響了絲裂原活化蛋白激酶、過氧化物酶體、ABC轉運蛋白、光合作用、植物激素及應激相關等多種傳導信號途徑從而導致了突變體的鹽敏感。這些發現不僅驗證了OsNAC041 功能，同時為水稻抗性分子育種提供了新思路。

Improvements of TKC Technology Accelerate Isolation of Transgene-Free CRISPR/Cas9-Edited Rice Plants

HE Yubing, ZHU Min, WANG Lihao, WU Junhua, WANG Qiaoyan, WANG Rongchen, ZHAO Yunde

Rice Science, 2019, 26(2): 109−117

http://dx.doi.org/10.1016/j.rsci.2018.11.001

改進的TKC技術促進獲得無轉基因的CRISPR/Cas9基因編輯水稻

CRISPR/Cas9轉基因的判定是對遺傳穩定性評價、表型鑑定和植物商業種值獲批的先決條件。然而，通過基因分離和回交去除CRISPR/Cas9轉基因是一項費時費力的工作。我們先前報道了自殺基因元件與CRISPR/Cas9基因編輯元件整合成一個連鎖的系統，稱為TKC（Transgene Killer CRISPR）系統。該系統可以主動和自動消除任何含有轉基因DNA片段的植株，但仍能使植物體在轉基因DNA片段被去除之前發生靶向基因編輯。本研究改進了之前的TKC系統，分別通過兩種新的水稻花粉特異致死表達盒與之前研究驗證有效的胚胎致死基因表達盒相結合，有效地實現了在不影響基因編輯效率的基礎上達到轉基因自清除的目的，豐富了TKC系統中各元件的可選擇範圍。

Production of Two Elite Glutinous Rice Varieties by Editing Wx Gene

FEI Yunyan, YANG Jie, WANG Fangquan, FAN Fangjun, LI Wenqi, WANG Jun, XU Yang, ZHU Jinyan, ZHONG Weigong

Rice Science, 2019, 26(2): 118−124

http://dx.doi.org/10.1016/j.rsci.2018.04.007

運用CRISPR/Cas9技術對水稻兩個品種的Wx基因進行編輯

水稻中的蠟質基因（Wx）編碼顆粒結合澱粉合成酶，負責直鏈澱粉的合成。糯米幾乎沒有直鏈澱粉，可以用於釀造工藝等各種用途。本研究利用CRISPR/Cas9技術對水稻兩個優良粳稻品種淮稻5號（HD5）和蘇墾118號（SK118）Wx 基因進行敲除，以期開發出優良糯稻品種。我們獲得了6個wx 基因缺失超過200bp的純合T0植物，以及36個wx-hd5 和18個wx-sk118 的T1代純合無轉基因植株。所有突變體種子均為白色不透明，與糯米種子相似，直鏈澱粉含量僅為2.6%–3.2%。掃描電鏡結果表明，稻米品質無明顯變化。綜上所述，本研究成功培育出兩個優良糯米品種。

CRISPR/Cas9-Mediated Adenine Base Editing in Rice Genome

LI Hao, QIN Ruiying, LIU Xiaoshuang, LIAO Shengxiang, XU Rongfang, YANG Jianbo, WEI Pengcheng

Rice Science, 2019, 26(2): 125−128

http://dx.doi.org/10.1016/j.rsci.2018.07.002

CRISPR/Cas9-介導的水稻基因組腺嘌呤鹼基編輯

精確的鹼基編輯對於植物功能基因組研究以及作物分子育種具有十分重要的意義。本研究通過水稻密碼子優化的腺嘌呤鹼基編輯器，結合改進的sgRNA，在水稻重要農藝性狀基因Wx 和GL2中，實現了A∙T鹼基對到G∙C鹼基對的精確編輯。

Rapid Creation of New Photoperiod-/Thermo-Sensitive Genic Male-Sterile Rice Materials by CRISPR/Cas9 System

SHEN Lan, DONG Guojun, ZHANG Yu, HU Guocheng, ZHANG Qiang, HU Guanglian, XU Bo, REN Deyong, HU Jiang, ZHU Li, GAO Zhenyu, ZHANG Guangheng, GUO Longbiao, ZENG Dali, QIAN Qian

Rice Science, 2019, 26(2): 129−132

http://dx.doi.org/10.1016/j.rsci.2018.12.006

利用CRISPR/Cas9技術快速創制水稻光温敏不育系育種材料

該研究利用基因編輯技術,選擇了具有較好配合力的優良水稻品種9311和華佔，構建了pC1300-2X35S::Cas9-sgRNAPTGMS 2-1 敲除光温敏雄性核不育基因PTGMS 2-1 的表達載體，獲得了T0代純合株系。篩選T1代無選擇標記的目標株系進行人工氣候箱處理實驗，發現温度是決定兩個品種花粉育性轉換的主要因素，而光週期對兩個品種育性也有一些影響。綜上所述，利用該技術可獲得直接應用於育種的水稻光温敏不育系材料。

Rice Science （水稻科學）簡介

Rice Science 於1990年創刊，原名Chinese Rice Research Newsletter（CNRRN），主要報道水稻研究簡報及簡訊。2003年改為學術期刊，主要發表水稻科研領域的原創性論文。2013、2016年Rice Science 連續成功申請了“四部二院”聯合實施的“中國科技期刊國際影響力提升計劃項目”。根據國際影響力指數（CI值）排名，2012–2015年Rice Science 連續4年均被評為年度“中國國際影響力優秀學術（TOP 10%）期刊”；2016–2018年連續3年均被評為“中國最具國際影響力學術（TOP 5%）期刊”。由於期刊總被引頻次與影響因子均明顯提升，Rice Science 於2016年7月接到通知，被Web of Science核心合集ESCI數據庫收錄。2017年11月29日收到通知，被SCI收錄，2018年6月獲得首個JCR影響因子，即達1.521。今後，Rice Science 期刊將在新的台階上開啓新的征程，不忘初心，砥礪前行，為國內外水稻科技的發展書寫更加美好的新篇章。

期刊鏈接：

www.ricescience.org/EN/volumn/current.shtml

來源：BioArt植物