小麦遗传转化和基因编辑最新研究进展综述

作者 | 王珂

来源 | 小麦研究联盟 （wheatomics）

自2013年以CRISPR/Cas9为代表的基因编辑技术问世至今，凭借其精确、高效的基因修饰功能，迅速成为了生物科学领域最炙手可热的基因操作工具，在拟南芥、水稻、玉米等植物中的研究和应用取得了众多成果。小麦作为全世界最主要的农作物之一，在粮食安全生产中发挥着重要作用。但由于普通小麦属于部分同源六倍体物种，基因组非常复杂，遗传转化比较困难，致使基因编辑技术在小麦中的应用还不够广泛，编辑效率还比较低。尽管如此，国内外小麦研究者锲而不舍、不忘初心，在小麦遗传转化和基因编辑方面开展了卓有成效的工作。

2019年10月25日，Theoretical and applied genetics 在线发表了中国农业科学院作物科学研究所叶兴国团队关于小麦遗传转化和基因组编辑技术的最新发展与应用研究进展的综述文章。

作者首先简要介绍了小麦生产中的问题和利用基因工程改良小麦的必要性，以及小麦遗传转化砥砺前行的发展过程。然后重点介绍了最近5年小麦转基因技术的研究状况。尤其，2014年日本烟草公司研发了农杆菌高效转化小麦幼胚的PureWheat技术，显著提高了小麦的转化效率，模式基因型Fielder的转化效率高达50-90%，标志着小麦遗传转化的重大突破。

在PureWheat技术的基础上，先后建立了澳大利亚、中国、美国等商业化小麦品种的遗传转化体系。同时，利用转基因技术改良了小麦粒重、光合作用、生长发育、抗病性、抗旱性、品质等相关性状，创制了多个转基因小麦新材料。进一步利用农杆菌转化双T-DNA和基因枪转化最小表达框策略，建立了获得无筛选标记转基因小麦的技术体系。

在基因编辑方面，作者系统比较了锌指核酸酶（ZFN）、转录激活因子样效应子核酸酶（TALEN）、簇规则间隔的短回文重复序列相关的内切核酸酶（CRISPR/Cas）的特点和效率，描述了利用3种基因组编辑系统创造突变体的机理。相比之下，CRISPR/Cas9具有更高的特异性、蛋白酶活性和可操控性，可以实现目标基因的沉默、激活、替换、定点插入和单碱基定向改变等，因此在基因工程研究中得到了广泛应用。

最新发展的CRISPR/Cpf1和CRISPR/xCas9等编辑系统进一步拓宽了基因编辑的靶点设计范围，尽管在小麦中还没有报道，但在模式植物中已经获得了成功。虽然基因编辑可能有脱靶现象存在，但只要这种突变不会对植物生长发育造成伤害，可以通过自交和分离予以摆脱。通常，植物基因编辑技术取决于其遗传转化系统，小麦遗传转化效率的提升促进了小麦基因编辑的快速发展。

目前为止，小麦基因编辑共有30多例报道，主要集中于农杆菌、基因枪介导的基因沉默，也有基因枪、病毒介导的碱基修饰和基因插入。例如，利用CRISPR/Cas9编辑技术修饰TaGW2、TaGW8等基因明显增加了小麦粒重，修饰TaQsd1基因显著增强了小麦对穗发芽的抗性，修饰TaPAL基因诱导了小麦单倍体籽粒。最后，作者就小麦遗传转化和基因编辑的发展趋势和应用提出了自己的观点，包括如何解决小麦遗传转化基因依赖性、建立小麦成熟胚遗传转化体系、拓宽Cas9蛋白识别PAM位点的范围、获得非转基因编辑植株，以及单倍体诱导基因和病毒、纳米技术在小麦基因编辑中的应用等。

随着小麦高质量基因组数据库的不断释放和完善，可以预见小麦生物技术革命即将到来。虽然现在已进入严寒的冬季，但小麦基因编辑四季如春，我们可以按照自己的愿望对小麦中控制重要性状的基因进行遗传修饰，逐步提高小麦的颜值、品质、产值、抗病性和环境适应性，使小麦各个性状完美无缺。

中国农业科学院作物科学研究所王轲副研究员为论文第一作者，叶兴国研究员为论文通讯作者。相关研究得到了国家转基因重大专项、宁夏科技厅重点研发计划和中国农科院创新工程等项目的资助。

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03464-4