多重基因编辑系统+高通量基因型鉴定+高通量表型鉴定=复杂数量性状改良新策略
纵观农业历史，人类一直在选择具有更高产量或者更好的地区适应性等特性的植物。传统的育种方法依赖于对遗传变异的利用。通常情况下，育种家将具有有利农艺性状的不同植株进行杂交，通过分析其后代的表型变异，对目标性状改良的个体进行选择来获得具有理想性状的品种。然而，传统的育种方法是一个需要历经多代杂交的缓慢过程，这一过程往往需要数年时间才能获得新品种，而且新的品种常常只是适度的改良。此外，一些与产量有关的性状是由发育过程中具有冗余功能的多个基因控制的，或者是由许多处于同一调控途径不同的微效基因控制的，这意味着必须将几个染色体片段结合起来才能实现较大的品种改善。现代基因组学工具有望极大地提高植物育种的速度和精度。现代基因组学工具有望极大地提高植物育种的速度和精度（比如基因编辑工具），但仍需改进来实现效益最大化。近日，比利时根特大学植物系统生物学中心研究团队在《The Plant Cell》在线发表了题为BREEDIT: a multiplex genome editing strategy to improve complex quantitative traits in maize的研究论文，介绍了一种叫做BREEDIT的加速植物育种的新工具，可以通过基因编辑的方法来靶定冗余基因家族中的多个成员。BREEDIT新工具通过加速挖掘控制重要农艺性状（如产量和抗逆性）的遗传基础来加快植物育种的速度。研究团队建立了一个利用CRISPR/Cas9系统，并基于玉米、水稻和拟南芥中与植物生长调节功能保守的48个候选基因创建一套多重基因编辑的植物（即对多个不同的基因或特定的DNA位点进行编辑）。
图1 BREEDIT——多重基因编辑方法
研究团队利用多重CRISPR/Cas9基因组编辑工具对一组复杂性状微效目标基因进行编辑来创造遗传变异（四个载体中的12个引导RNAs称为SCRIPTs）。研究团队通过高度多重（HiPlex）扩增子测序技术对超级转化体植株（含有SCRIPT和Cas9 EDITOR载体，如图1所示）进行基因分型，并通过相互杂交来产生一组具有全部基因敲除组合可能的的编辑植株。除了回交和自交外，改进后的基因编辑植株杂交方案还包括SCRIPT内杂交（即同一SCRIPT产生的同一基因家族的互补性突变）和SCRIPT间杂交（即由不同SCRIPT产生的不同基因家族的突变）。研究团队利用高通量表型鉴定系统对分离后代进行重要农艺性状（例如产量潜力和耐旱性）的筛选。通过以上方式，研究团队只需两代就可以获得并测试数量可观的目标性状遗传变异，从而加快了对具有性状改良的特定基因变异组合的鉴定。本研究中利用的几个候选基因在植物发育过程中起到负调控的作用，这些负调控基因的功能缺失预期会对植物生长产生积极影响。然而，由SCRIPT1（靶标基因涉及赤霉素分解代谢过程）产生的多重基因敲除导致营养器官生长增强，但生殖器官出现异常，导致了转化体后代的雄性不育。另一方面，SCRIPT2（靶标基因涉及细胞分裂素代谢过程，以前曾被证明参与了植物早期发育阶段的干旱胁迫反应）产生多重基因敲除在缺水的条件下展现出更快的生长速度。总之，BREEDIT系统可以同时修饰和测试在植物生长中具有冗余功能基因家族的多个成员，这是一个高效且快速的工具。—— 参考文献 ——
Lorenzo CD, Debray K, Herwegh D, et al. BREEDIT: a multiplex genome editing strategy to improve complex quantitative traits in maize. Plant Cell, 2023, 35(1): 218-238.
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靶向测序技术主要分为基于多重PCR的靶向基因捕获技术（GenoPlexs）和基于液相探针杂交的靶向基因捕获技术（GenoBaits）两种。可完成单样品50-5000和3000-40000标记的基因型分析，并达到可设计区域覆盖度高于95%，扩增子均一性高于90%的捕获效率。
GenoPlex基于多重PCR的靶向基因捕获技术方案
GenoBaits基于液相探针杂交的靶向基因捕获技术方案| 种质资源分析 | 分子标记辅助选择 |
| 分子标记辅助回交改良 | 全基因组选择 |
| 全基因组关联分析 | 遗传图谱构建 |
| QTL定位 |
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突变株作为育种的主要载体，筛选与鉴定工作复杂而繁重。高通量表型分析设备和荧光成像系统都可服务于突变株的筛选，具体体现在对一些物理诱变和化学诱变产生的突变群体，定时观察植株形态、颜色等变化，可以获得大量的植物表型参数，构建指纹图谱。此外，还可利用IMAGING-PAM荧光系统对植物幼苗进行光合特性测定，高效筛选突变单株。
随着植物生物技术和基因工程的发展，细胞遗传操作与农艺性状改良显得尤为重要。细胞遗传操作之后导致农艺性状例如生育期，株高，叶面积，果实重量等改变，均可以通过中心服务平台高通量表型平台进行分析。目前，平台已针对小麦、水稻、玉米、黄瓜、番茄、辣椒、杨树、丹参、拟南芥、烟草、荞麦等多种植物进行表型服务，服务内容涉及胁迫生理，生长模型构建、生长势评价等领域。如您需要了解更多信息，请识别下方二维码填写登记表，我们会为您提供专业的服务，真诚期待与您的合作！
