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2018年第10期(发布时间: Nov 16, 2018 发布者:张毅)  下载: 2018年第10期.doc       全选  导出
1   2018-11-15 17:09:48.273 先驱生物学家通过基因组编辑创造一种新作物 (点击量:4)

从野生植物到作物:CRISPR-Cas9革命性育种——含有更多有价值的抗氧化剂的新番茄

小麦、玉米等农作物经过几千年的育种过程,人类在育种过程中逐渐地改变了野生植物的特性,使其适应自己的需要。一个动机是,而且仍然是更高的产量。这种育种的一个“副作用”是减少遗传多样性和丧失有用的特性。现代品种对疾病的易感性增加、味道缺乏或维生素和营养含量降低都表明了这一点。现在,来自巴西、美国和德国的研究人员首次利用CRISPR-Cas9(一种现代的基因组编辑过程)在单代内从一种野生植物中培育出一种新的作物。从一种“野生西红柿”开始,他们同时引进了各种农作物的特征而不会失去野生植物的有价值的遗传特性。研究结果已发表在现期《自然生物技术》杂志上。

“这种新方法允许我们从头开始,重新开始新的驯化过程,”来自明斯特大学(德国)的生物学家Jörg Kudla教授说,他的研究小组参与了这项研究。通过这样做,我们可以利用研究人员在过去几十年中积累的关于植物遗传学和植物驯化的所有知识。我们可以保存野生植物的遗传潜力和特别有价值的特性,同时在很短的时间内生产出现代作物所希望的特征。”研究人员总共花了大约三年时间进行他们的研究。

研究者们选择Solanum pimpinellifolium作为亲本植物,一个来自南美洲的野生番茄,也是现代栽培番茄的祖先。野生植物的果实只有豌豆的大小,产量也低,这两种特性使得它不适合作为农作物。另一方面,该水果比现代西红柿更香,现代西红柿由于育种失去了一些味道。此外,野生水果含有更多的番茄红素。这种所谓的自由基清除剂,即抗氧化剂,被认为是健康的,因此是一种受欢迎的成分。

研究人员通过使用“多元CRISPR-Cas9”对野生植物进行修饰,使得后代植物在六个基因上具有小的遗传修饰。这些决定性基因在过去的几年中已经被研究者们所认识,并且被认为是驯化番茄的遗传关键特征。具体来说,研究人员与野生西红柿相比做了以下改进:水果比野生西红柿大三倍,相当于樱桃西红柿的大小。水果的数量达到十倍,形状比圆形野生水果更像椭圆形。这种特性很受欢迎,因为下雨时圆形水果比椭圆形水果更快裂开。植物也有更紧凑的生长。

另一个重要的新特性是,番茄新品种中的番茄红素含量是野生亲本的两倍以上,并且不低于常规樱桃番茄的五倍。"这是一个决定性的创新,它不能通过任何传统的育种过程用目前栽培的西红柿实现,"Jörg Kudla说。"番茄红素有助于预防癌症和心血管疾病。因此,从健康的角度来看,我们所创造的番茄可能比传统栽培的番茄和其他只含有非常有限量的番茄红素的蔬菜具有额外的价值。"他补充说,到目前为止,育种工作者一直在试图增加栽培番茄中番茄红素的含量。然而,即使在它们成功的情况下,也是以β-胡萝卜素含量为代价的,β-胡萝卜素也保护细胞,因此是一种有价值的成分。

Jörg Kudla总结了现代农业的困境:“我们的现代作物是育种的结果,有它的所有优点和缺点。许多特性如弹性已经丧失,我们只能通过一个艰苦的,长达数十年的过程与野生植物回交——如果还有野生植物。原因在于,由于众多基因之间的相互作用,不能通过传统的育种过程恢复性状。在许多方面,驯化就像一条单行道。在现代基因组编辑的帮助下,我们可以利用野生植物的优势解决这一育种问题。简而言之,分子“从头驯化”提供了巨大的潜力,也产生了新的、理想的特性。“此外,Kudla教授补充说,现在已经有可能获得目前还没有被人类所使用的非常健康的植物,或只在一个有限的范围内,通过有针对性的增加其果实的大小或改进驯化其他特征,把它们变成新的作物。

该方法的细节:研究人员利用CRISPR-Cas9方法通过所谓的功能缺失突变来靶向和失活Solanum pimpinellifolium的基因。从这些转基因植物中,他们选择了合适的成熟亲本植物。研究人员对这些亲本植物的后代进行了外观特征分析,并对它们的特性进行了分析。

参与这项研究的研究人员来自维索萨联邦大学和圣保罗大学(巴西)、明尼苏达大学(美国)以及明斯特大学(德国)。

2   2018-11-15 15:16:45.843 一个关键基因控制高粱及其他作物的茎干多汁性 (点击量:5)

甜高粱茎汁液基因的发现可能具有巨大的农业意义。

也许你从未尝过高粱(高粱),这是世界上最受欢迎的第五大作物,但你可能很快就会尝到了。这种古老的谷物在发展中国家是常见的食物来源,也用来酿造白酒,世界上最受欢迎的烈酒之一。谷物高粱是一种坚韧、耐旱的植物,茎干干而脆,也用于生产从动物饲料到工业化学品到无麸质面粉等产品,是一种很有前途的生物燃料来源。不太常见的多汁甜高粱品种被用来生产类似枫糖浆的产品。茎多汁可以使植物更耐旱,但也可以使其抗病性降低,另外这些植物的高度会导致它们在风中倾倒。了解茎多汁性状是如何进化的,并鉴定其潜在的基因,可以帮助育种家在高粱和其他重要作物中微调这一性状,同时阐明植物的茎水运输。100多年前,科学家们发现干多汁是由一个叫做干的基因位点决定的。而这种遗传区域已经缩小到一个小区域,在一个单一的染色体,高粱茎的水分含量可以变化很大,使得很难研究这一特性并找出潜在的基因。

通过对大量不同高粱品种的仔细遗传分析,中国科学院的科学家们发现了控制高粱茎多汁性状的基因,正如本月出版的《植物细胞》中所描述的。干基因产物似乎是一个主开关,控制许多基因的表达,帮助确定植物细胞壁的形状和组成。多汁茎秆型高粱品种的干基因突变导致细胞壁异常,甚至细胞崩溃,但是这些植物中的高糖含量促进了它们的生长,并可能导致粮食产量的增加。看起来育种家长期以来一直在选择具有干基因突变的植物以提高高粱糖浆生产的效率。作者在其他作物物种中鉴定出类似的基因,这也为其他植物的茎多汁性水平的形成提供了机会。根据德克萨斯大学的Thomas Juenger博士的说法,“这是一项标志性高粱基因的重要发现,也是利用遗传作图、自然变异和转基因操作来理解重要驯化事件关键因素的综合方法的一个伟大例子。

3   2018-11-16 10:19:18.073 大豆耐盐性研究进展:遗传多样性、遗传和基因鉴定有助于提高耐盐性 (点击量:1)

盐胁迫是影响大豆生长的主要非生物胁迫之一。耐盐性的遗传改良是保护盐胁迫条件下大豆产量的有效途径。大豆耐盐性的成功提高有赖于鉴定在大豆种质中赋予耐盐性的遗传变异,并随后将这些遗传资源整合到品种中。本文综述了大豆耐盐种质遗传多样性和耐盐遗传研究进展,包括耐盐种质遗传多样性鉴定、耐盐性QTL定位、基于图的克隆、大豆全基因组关联研究(GWAS)分析。另外,该文也讨论了今后的研究方向,包括高通量表型技术、CRISPR/Cas9基因组编辑系统、耐盐分子育种的基因组选择技术。

4   2018-11-16 11:21:11.957 利用基因组编辑技术快速改进孤儿作物驯化性状 (点击量:4)

基因组编辑对提高作物生产率前景广阔,对促进孤儿作物的育种特别有兴趣,因为孤儿作物往往受到类似于野生亲属的不良特征的负担。我们在孤儿茄科作物“地樱桃”(Physalis pruinosa)中开发了基因组资源和高效转化,并利用有规则间隔的短回文重复序列(CRISPR)–CRISPR相关蛋白-9核酸酶(Cas9)(CRISPR–Cas9)对番茄驯化的直系同源进行了突变,并改良控制植物结构、花卉生产和果实大小的基因,从而改善这些主要生产性状。因此,从模型作物中翻译知识能够快速创建目标等位基因多样性和在远亲孤儿作物中培育新种质。

5   2018-11-16 11:04:39.3 AmDUF1517的过表达增强转基因棉花耐盐、干旱和低温胁迫的耐受性 (点击量:1)

由于全球气候变化,非生物胁迫日趋严重,植物的生长发育受到限制。在具有较强抗逆性的农作物开发中,从高抗逆性灌木沙冬青中分离出AmDUF1517,将其插入拟南芥后能显著提高其抗逆性。在这项研究中,我们将该基因插入棉花中,分析其赋予抗逆性的潜力。该研究采用两个独立的转基因棉花品系。Southern杂交结果表明AmDUF1517基因已被整合到棉花基因组中。生理分析表明,AmDUF1517转基因棉在盐胁迫、干旱胁迫和冷胁迫下比对照具有更强的抗性。进一步分析表明,AmDUF1517转基因棉的抗氧化酶(超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽S-转移酶(GST))活性明显高于普通棉,活性氧物种(ROS)积累较少,这表明AmDUF1517的过表达可以通过维持ROS稳态以及减轻细胞膜损伤来提高棉花的抗逆性。这些结果意味着AmDUF1517是提高棉花抗非生物胁迫的候选基因。

6   2018-11-16 11:22:27.007 开发中的转基因油菜新品种 (点击量:2)

明年3月,新的转基因油菜品种将在澳大利亚上市,这距“Roundup Ready”在2010年首次在西澳大利亚州种植仅十年之遥。

TruFlex技术已被设计成最终淘汰拜耳公司的类似产品Roundup Ready,拜耳作物科学区域业务经理Hugh Trenorden说,这是因为它具有“多个优势”,包括“扩展喷洒窗”。

他说:“我们需要新技术带来的灵活性。”

“一个较长的喷射窗口,直到第一朵花,将帮助他们在大多数季节得到两个草甘膦的应用,这将有助于杂草的控制。”

“有些季节,由于逻辑学或杂草的泛滥,Roundup Ready油菜可能只有一种喷射。”

确切地说,该品种何时发布是未知的,拜耳正在等待中国的批准。Trenorden先生说明年可能会有一个“小批量”的种子。

“我们在等待中国,他们有一个多步骤的审批程序……我们在中国的审批流程只有最后一步,“Trenorden先生说。

“我们没有像澳大利亚审批那样的透明度,所以我们只需要处理最可能的结果。”

Trenorden先生说,当农作物达到10%开花时,最终的Roundup应用可以实施,从六叶期延伸到始花。

Truflex品种在季节后期和更频繁地喷洒的能力得到了突破,可以0.9kg/ha的速度喷洒孟山都公司Roundup Ready除草剂加PLANTSHIELD3次,或者以1.3kg/ha的较高速度喷洒2次。

在过去的一个月里,WA粮食种植者在WA试验场进行了一系列农作物巡视的技术窥视。

事件还展示了来自传统转基因种子供应商Nuseed、太平洋种子和巴斯夫的油菜杂交种。TruFlex试验是在Kendenup, Cunderdin, Warradarge, Geraldton和Gibson的农民地产上进行的。

Warradarge农场主Tim Hayes最近在他的地产上举办了TruFlex油菜田日,他说这项技术将为他们的耕作系统提供更大的灵活性。

他说这个季节有一种黑麦草的晚期发芽,在第二次也是最后一次施用Roundup Ready除草剂和PLANTSHIELD的两周后。

Hayes先生说:“我认为,我们肯定会采取一些措施,只是为了能够得到那些更高的速度,并且能够晚些时候进去,这样你就可以稍后采摘那些杂草交错萌发的种子。”