全球首次，高彩霞/李家洋等通过基因编辑的方法，产生了抗除草剂的小麦

来源：iNature

通过基因组编辑开发耐除草剂品种，有望解决小麦种植中杂草日益严重的问题。但是到现在为止，还没有通过基因编辑的方法，获得耐除草剂的小麦。

2019年4月15日，遗传发育所高彩霞，李家洋及中国农业大学Jiang Linjian等人共同通讯在Nature Plants在线发表题为“Generation of herbicide tolerance traits and a new selectable marker in wheat using base editing”的研究论文，该研究通过碱基编辑乙酰乳酸合成酶（ALS）和乙酰辅酶A羧化酶基因，生成了具有除草剂耐受性突变的无转基因小麦种质，赋予对磺酰脲类，咪唑啉酮类和芳氧基苯氧基丙酸酯类除草剂的耐受性。这些除草剂耐受性特性为杂草管理提供了潜在的强大工具。

此外，该研究还发现小麦ALS Pro-174密码子（TaALS-P174）的碱基编辑赋予小麦在MS生长培养基中对烟嘧磺隆除草剂具有足够的抗性以允许选择。当TaALS-P174编辑器与编辑器结合用于其他感兴趣的目标时，在烟嘧磺隆抗性植物中发生共编辑，并且生长培养基中的抗性选择使偶联靶标的频率增加数倍。这种可选择的共同编辑系统有可能极大地促进作物改良应用的基础编辑的采用。

杂草是世界粮食生产的主要威胁，耐除草剂品种是帮助农民管理杂草的经济有效的工具。与小麦密切相关的山羊草（Aegilops tauschii）由于化学防治工具的有限性而成为一种特别具有破坏性的杂草种类。为了解决这个问题，通过传统育种开发出了通过点突变耐受咪唑啉酮（IMI）除草剂的非转基因小麦品种，特别是在发达国家，农民采用了这种品种。然而，IMI除草剂持续存在于土壤中并严重破坏几个月甚至几年后种植的敏感作物。因此，在中国等许多国家，粮食供应和农民收入严重依赖于每年来自同一地区的不同作物的多次收获，IMI-除草剂耐受性小麦品种不是实用的选择，也不是商业上可获得的。

TaALS-P174密码子的多等位编辑赋予小麦对多种除草剂的耐受性

目前，磺酰脲类（SU）除草剂甲磺隆是中国唯一一种小麦注册的叶面施用除草剂，可以控制中国的山羊草;因此，农民越来越多地采用它，尽管它经常对小麦造成损害。因此，数百万多种农民在抗击杂草的斗争中急需非农转基因作物，具有除草剂耐受性和低风险除草剂。

一个明显的解决方案是通过引入除IMI之外赋予除草剂耐受性的点突变，来产生非转基因除草剂耐受性性状。最近开发的胞苷碱编辑技术提供了一种有效的替代方案。胞苷碱基编辑使用胞苷脱氨酶-Cas9融合蛋白来突变靶基因中的核苷酸而不产生双链断裂。

基于TaALS-P174的共同编辑策略通过烟嘧磺隆选择在所需位置有效地产生突变

乙酰乳酸合成酶（ALS）是支链氨基酸生物合成中的关键酶，是小麦基因编辑的理想除草剂耐受性靶标，因为ALS基因可以携带点突变，赋予除草剂足够的耐受性，对植物生产力的影响很小 。由于这个原因，在一些二倍体植物物种中使用胞苷碱基编辑产生了ALS基因的突变（例如，水稻，拟南芥，西瓜）。

该研究在小麦中产生了赋予对多种除草剂耐受性的突变。 这些新的除草剂耐受性特征可以通过碱基编辑或回交引入到优良小麦品种，以大大改善杂草控制。 

此外，该研究开发了一种新的可选择的共编辑策略，用于通过将感兴趣的sgRNA与TaALS-P174 sgRNA偶联来检测编辑的植物; 在该策略中，共编辑的高发生率使得通过选择获得的除草剂耐受性植物可能在所需目标中进行编辑。 由于ALS基因含有几个碱基可编码的密码子，赋予不同的除草剂抗性并且在植物物种中是保守的，因此可以容易地建立类似的可选择的共编辑系统以促进其他植物物种中的脱氨酶-Cas9融合蛋白的无基因编辑。总而言之，这些除草剂耐受性特性为杂草管理提供了潜在的强大工具。