科技创新进展：利用基因编辑技术调控水稻遗传重组频率
近日，我所王克剑团队在植物学知名期刊Plant Communications在线发表了题为“Manipulation of genetic recombination by editing the transcriptional regulatory regions of meiotic 0gene in hybrid rice”的文章。该研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对水稻重组关键基因HEI10的转录调控区域进行编辑，不同等位突变植株不仅保证了减数分裂期染色体的正常分离，还保留了较高的结实率，同时突变植株中遗传重组频率也发生了不同程度的增加或减少，文章结果表明通过对单个重组关键基因转录调控区域的编辑可以实现对遗传重组的正向和负向调控，为加速新品种的培育，缩短育种周期提供重要理论基础和技术支撑。
遗传重组是动植物遗传育种过程中遗传多样性的主要来源之一，其特异发生在生殖发育的减数分裂时期，增加遗传重组频率可以提高遗传多样性，促进新组合的产生；而重组频率的减少则可以保持已聚合优异性状的稳定。此外，遗传重组的完全消失甚至可用于实现杂种优势的固定与稳定遗传。在多数动植物中，每条染色体上一般只发生1-2次的重组，且重组发生的位置受到严格的限制。目前为止，已在不同物种中克隆了众多调控遗传重组的基因。然而，这些基因的突变植株通常会表现出结实率严重下降，甚至完全不育的表型，从而限制了相关突变体在遗传育种中的应用。
研究人员首先分别对水稻HEI10基因的启动子区域和5′UTR区域进行了多靶点敲除，获得了一系列纯合突变或双等位突变材料。其中，启动子区域被编辑的突变体中HEI10基因的表达量表现不同程度降低，相反，5′UTR区域被编辑的突变体中HEI10基因的表达量表现不同幅度升高。表型性状调查显示，突变体的营养生长和花粉育性与野生型相比没有明显的差异，并且植株保持了较高的结实率。通过细胞学观察发现这些突变体的染色体能够正常分离，但是，对减数第一次分裂中期二价体的形态进行统计结果显示重组交换的数目可能发生了变化。
图1 突变体材料的获得和表型调查结果
随后，研究人员进一步通过遗传学分析检测了遗传重组的变化规律与基因表达之间的关系，在启动子区域被编辑的突变体中，重组频率随着HEI10基因表达水平的降低而减少；在5′UTR区域被编辑的突变体中，重组频率随着HEI10基因表达水平的升高而增加。遗传干涉的统计结果显示，重组频率减少的突变体干涉强度增强，而重组频率增加的突变体干涉强度减弱，表明遗传干涉与重组频率呈现一定的负相关性。
图2 突变体材料的遗传重组分布与干涉强度结果
该研究揭示了通过对单个关键基因进行编辑可以实现水稻遗传重组的正向和负向调控。已有研究表明有大量基因参与遗传重组的形成过程，因此，研究人员提出通过对更多关键基因进行同步编辑，有望实现对遗传重组更大幅度的调控。此外，由于遗传重组过程在不同动植物中较为保守，该研究思路也有望适用于其它动植物的理论研究和新品种培育。
该研究得到了国家自然科学基金、中国农科院科技创新工程、海南省崖州湾种子实验室等项目的支持。尉鑫博士和刘庆副研究员为该论文的共同第一作者，王克剑研究员为该论文的通讯作者。
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S259034622200311X?via%3Dihub