自然：中國將基因編輯技術用於水稻育種_風聞

雜交水稻育種為提高水稻產量，提供了一種重要的策略，其中雄性不育系的培育，是雜交育種成功的關鍵。CRISPR/Cas9系統已廣泛應用於靶位點的基因組編輯，然而它們在作物遺傳改良中的應用卻鮮有報道。2016年11月22日，在Nature子刊《Scientific Reports》發表的一項研究中，來自華南農業大學生命科學學院的莊楚雄教授帶領的研究小組，利用CRISPR/Cas9系統，在TMS5基因中誘導特異性突變，這是中國應用最廣泛的温敏型雄性不育（TGMS）基因。

水稻（Oryza sativa L.）是全球最重要的一種主食，提供了全球幾乎四分之一的人類膳食能量供應。隨着人口增長，對食品的需求將繼續迅速增長，加上有限的耕地以及環境退化，在2030年將需要水稻產量增加40%。目前，雜交水稻已在全球超過40個國家進行培育，並在全球食品供應中起着關鍵的作用，有着超過常規水稻10%至20%的產量優勢，在中國佔水稻種植總面積的約60%以上。

在中國，利用三系和兩系雜交育種系統培育出來的雜交水稻，在雜交水稻的生產中佔有主導地位。三系雜交水稻系統，利用細胞質雄性不育（CMS）系、恢復系、保持系，來生產雜交種子和保持CMS系。恢復系攜帶特殊的CMS恢復系基因，以恢復特殊CMS系的育性。胞質不育相關的種質資源是有限的：在中國只有1%的水稻種質資源可以作為保持系，在東南亞只有5%的水稻種質攜帶CMS恢復系基因。

恢復繫有限的遺傳資源、三系雜交系統中CMS和恢復系較低的遺傳多樣性，阻礙了進一步的發展。兩系育種系統利用光敏核雄性不育（PGMS）或温敏核雄性不育系（TGMS）作為有限條件下的不育系，或可供給條件下的保持系。幾乎所有的正常水稻品種可以恢復PGMS和TGMS系的育性，從而提供了更廣泛的遺傳資源，以更好地利用水稻雜種優勢。因此，與三系雜交系統相比，兩系雜交系統的優點包括，節省勞動和節省時間、更好的品質和更高的產量、更高的效率和更簡單的程序，用於育種和雜交種子生產。雖然兩系雜交育種系統的開發比較晚，但它提供了優於三系雜交系統的基本優勢，佔中國雜交水稻種植面積總數的約1/3。

近年來，我們對於P /TGMS的認識已經獲得了很大的進步，水稻中控制P/TGMS性狀的幾個基因已被克隆出來。Nongken58S，是在1973年首先確定的第一個PGMS水稻，在長日照條件下具有完整的雄性不育，在短日照條件下育性恢復。其PGMS是由pms1、pms2和pms3決定的。

使用傳統的育種系統，培育一個新的商業雄性不育系通常需要幾年，有時超過十年，使用現代基因工程技術可以大大減少繁殖時間。序列特異性核酸酶（SSN）可在特定的基因組位點誘導靶DNA雙鏈斷裂（DSBs），並促進DNA損傷修復的內源性途徑，最後導致序列特異性的基因組編輯。作為一種新型的SSN，CRISPR/Cas9編輯系統已被用來在許多物種中敲除靶基因，包括植物。儘管如此，其在作物遺傳改良中的應用仍然是罕見的。

在這項研究中，利用CRISPR/Cas9系統，該研究小組在TMS5基因中誘導了特異性突變，並開發了新的“清潔遺傳改良”TGMS系。利用CRISPR/Cas9系統，研究人員在TMS5的編碼區中設計了10個靶位點用於靶向誘變，並評估了打靶和脱靶效應的潛在頻率。

最後，研究人員建立了最有效的構件——TMS5ab構件，用於培育潛在適用的“清潔遺傳改良”TGMS系。研究人員還根據不同靶序列的特點，討論了影響編輯效率的因素。值得注意的是，使用TMS5ab構件，研究人員開發了11個新的“清潔遺傳改良” TGMS品系，僅在一年內就可能應用於兩個水稻亞種的雜交育種。這一系統的應用，不僅顯著加快了不育系的繁殖，而且也有利於雜種優勢的利用。

莊楚雄

研究員、博士生導師。1989年獲得華南農業大學碩士學位，1996年獲得華南農業大學遺傳育種博士學位。2002年12月晉升為研究員，其中1997－1999年赴香港大學進行合作科研，2004年赴美國賓夕法尼亞州立大學進行合作科研。2004年入選為廣東省“千百十”省級培養對象，2004年度教育部“長江學者和創新團隊發展計劃”創新團隊項目研究骨幹，該團隊被人事部和教育部評為2007年度全國教育系統先進集體。於2003年獲得廣東省科學技術獎一等獎一次（排名第三），於1990年和1996年分別獲得廣東省自然科學獎三等獎，排名分別為第四和第三。長期從事植物遺傳學和分子生物學等方面的研究。近5年主持國家基金、國家973子項目，國家轉基因重大專項和廣東省科技廳團隊項目等課題5項，合計經費超過500萬。2011年至今，以通訊作者身份發表被SCI收錄論文5篇，其中兩篇的單篇影響因子都在在10.0以上，合計影響因子為32.164。

原文摘要（https://www.nature.com/articles/srep37395）：

Development of Commercial Thermo-sensitive Genic Male Sterile Rice Accelerates Hybrid Rice Breeding Using the CRISPR/Cas9-mediated TMS5 Editing System

Abstract：Hybrid rice breeding offers an important strategy to improve rice production, in which the cultivation of a male sterile line is the key to the success of cross-breeding. CRISPR/Cas9 systems have been widely used in target-site genome editing, whereas their application for crop genetic improvement has been rarely reported. Here, using the CRISPR/Cas9 system, we induced specific mutations in TMS5, which is the most widely applied thermo-sensitive genic male sterility (TGMS) gene in China, and developed new “transgene clean” TGMS lines. We designed 10 target sites in the coding region of TMS5 for targeted mutagenesis using the CRISPR/Cas9 system and assessed the potential rates of on- and off-target effects. Finally, we established the most efficient construct, the TMS5ab construct, for breeding potentially applicable “transgene clean” TGMS lines. We also discussed factors that affect the editing efficiency according to the characteristics of different target sequences. Notably, using the TMS5ab construct, we developed 11 new “transgene clean” TGMS lines with potential applications in hybrid breeding within only one year in both rice subspecies. The application of our system not only significantly accelerates the breeding of sterile lines but also facilitates the exploitation of heterosis.