客观日本

小麦淋雨也不易发芽,冈山大学通过基因编辑改良成功

2019年08月09日 农林牧渔

日本冈山大学资源植物科学研究所的佐藤和广教授与日本农业食品产业技术综合研究机构的主任研究员安倍史高等人组成的联合研究小组,利用基因组编辑技术改良小麦的特性,用较短的时间就成功开发出了在收割期即使被雨淋湿也不容易发芽(休眠期较长)的植物。

为了改良拥有复杂基因组的小麦的特性,研究小组利用了在基因组比较简单的大麦中发现的基因信息。这种以其他植物物种的基因信息为基础,在小麦中改变重复的基因使其产生新特性的方法备受关注。相关研究成果已于7月30日发表在《细胞报告》的网络版。

此次,研究小组使用了冈山大学在大麦中发现的与种子休眠有关的基因“Qsd1”的碱基(DNA)序列。研究发现,如果大麦中的Qsd1基因停止工作,种子的休眠时间会变长。因此,研究小组首先解码了小麦的3个基因组中分别存在的与Qsd1基因最相似的基因的碱基序列(图 1)。然后着眼于这3个基因共有的碱基序列,计划同时在这3个基因中引入突变,以延长种子的休眠时间。

小麦淋雨也不易发芽,冈山大学通过基因编辑改良成功

图1:小麦和大麦被认为是在3百万年前由共同的祖先分化而来的,小麦拥有3组、大麦拥有1组各由7对染色体构成的相似基因组。此前虽然知道大麦的第5对(5H)染色体中存在能改变种子休眠时间的Qsd1基因(○标记),但一直不知道小麦中与其拥有共同祖先的基因序列是否也具有改变种子休眠时间的作用。

在本次研究中,研究小组利用名为农杆菌的微生物将名为CRISPR/Cas9的基因组编辑基因整合到小麦的基因组中,设法高效改变休眠相关基因的序列。最终,成功获得了3个基因全部改变的植物。另外,在使该植物与用于基因组编辑的亲本交配而形成的第三代、即孙辈,培育了拥有这3个基因变化的所有组合的植物。

也就是说,合计培育了8种植物,包括3种3个基因中仅1个发生改变的植物,3种2个基因发生改变的植物,1种3个基因全部改变的植物,以及1种所有基因完全没有改变的植物。研究小组同时培育这些植物并收割其种子,比较了休眠时间。观察发现,3个基因全部改变的植物与其他植物相比,发芽时间明显延迟(图2的aabbdd)。即使在麦穗状态时喷水,人工形成被雨淋湿状态,3个基因全部改变的植物与没有改变的植物相比,发芽时间也明显延迟(图3)。另一方面,关于植物的大小等其他特征,所有植物均未发现明显不同。

小麦淋雨也不易发芽,冈山大学通过基因编辑改良成功

图2:携带A,B,D基因组的基因与发生突变的a,b,d基因的个体的种子发芽延迟时间(休眠情况)

小麦淋雨也不易发芽,冈山大学通过基因编辑改良成功

图3:A,B,D基因组突变的植物(左)种子休眠时间延长,发芽延迟

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文:JST客观日本编辑部翻译整理

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