科技创新进展：研究阐述基因组编辑技术在增加作物遗传变异方面的进展
近日，我所水稻生物育种全国重点实验室王克剑研究员团队和中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究员团队合作在Science Bulletin期刊发表了题为“Unlocking crop diversity: enhancing variations through genome editing”的专家评介文章，该文系统阐述了基因组编辑技术在增加作物遗传变异方面的重要研究进展，并对未来利用基因组编辑技术增加作物遗传多样性进行了探讨。
作物中广泛存在的遗传变异是作物不断进化的动力，为人类培育和改良作物提供了重要的选择基础。然而，农作物产量在不断增加的同时，作物品种同质化问题日益凸显，加剧了作物遗传多样性的降低。这种趋势对种质资源的保护和创新构成了严重风险。因此，增加现代作物的遗传变异对于促进种质资源创新和保障粮食安全至关重要。自发的基因突变和重组是自然界遗传变异的主要驱动力。然而，自然界中突变和重组发生的频率极低，限制了遗传变异产生的数量和质量，难以满足现代农业育种的需求。因此，迫切需要开发有效和有针对性的策略以加速遗传变异的产生。基因组编辑技术作为一种颠覆性技术，在农业领域得到广泛应用，被誉为农业领域的"5G"育种技术，其快速发展为加速遗传变异的产生和引入遗传多样性提供了新的途径。本文详细阐述了基因组编辑技术在产生突变和操作重组方面的重要研究进展，并强调了这一技术对保障未来粮食安全的重大意义。在产生突变方面：(1)通过基因组编辑技术可以针对特定基因进行定点突变或修饰，以产生预期的目标性状。此外，还可以实现对多个位点的定点修饰，快速形成多种性状的叠加聚合。(2)基因调控区域中的单核苷酸多态性和结构变异在调控基因表达中起着关键作用，通过基因组编辑技术操作这些调控元件可以创造出大量优异的等位基因组合。(3)基因组编辑技术还可用作定向进化和正向遗传学筛选工具，从全基因组范围对基因型和表型进行鉴定和筛选。(4)在改进栽培作物性状方面，通常需要从野生种中导入一些优良等位基因，利用基因组编辑技术对野生种进行从头驯化是一个非常有前景的育种策略。在操纵重组方面：(1)重组频率和重组位点的位置受多个抑制因子的控制。因此，通过基因组编辑技术禁用这些抑制因子是增加重组的最直接方式。(2)某些基因的表达在重组调控中具有剂量依赖性效应，通过基因组编辑技术操纵相关基因的表达水平，可以精细调节重组频率。(3)与增加重组频率相反，抑制重组可以促进理想性状基因的快速稳定。无融合生殖策略能够在没有任何重组的情况下进行克隆种子生产，因此可用于固定任何杂合优异基因型。
文章最后对基因组编辑技术面临的挑战进行讨论。主要包括以下方面：(1)基因组编辑工具的优化，需要进一步提高精准基因组编辑效率和改善基因组编辑的特异性。(2)通过基因组编辑技术有针对性地将优异基因引入现代品种，改良作物性状，简化育种过程，提高育种效率。(3)减数分裂重组涉及错综复杂的遗传相互作用，通过同时编辑多个关键重组基因更能有效精准的进行重组操纵。(4)随着植物合成生物学和人工智能等新技术的发展，基因组编辑技术有望迎来更广阔的发展空间。综上所述，基因组编辑技术的发展为作物遗传变异的产生创造了前所未有的机遇，通过基因组编辑技术解锁作物多样性在应对当前和未来农业挑战、促进可持续农业发展方面具有巨大的潜力，对保障粮食安全具有重大意义。
该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家水稻产业技术体系和海南省崖州湾种子实验室等项目的资助。我所水稻生物育种全国重点实验室邹金鹏博士后和黄勇助理研究员为该文的共同第一作者，王克剑研究员和中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究员为该论文的共同通讯作者。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.12.013