Annual Reviews of Plant Biology| 利用基因编辑技术实现作物从头驯化

随着基因编辑技术的发展人们对利用该技术来驯化野生植物，或加速改良弱驯化作物有着浓厚的兴趣。特别是基因组编辑使科研人员摆脱了对随机突变或种内多样性的依赖，能够从多样性中得出更广泛的解决方案。然而，由于对多样性的复杂遗传缺乏了解，限制了该技术的实际使用效果。重新驯化仍然需要通过表型选择进行常规育种，特别是在开发适合不同环境和生态的作物方面。因此将基因组编辑和传统育种结合起来比单独使用任何一种技术都能带来更快和更好的结果。

近日，Annual Reviews在线发表了“The Power and Perils of De Novo Domestication Using Genome Editing”，驯化是一个持续数千年的缓慢过程，而作物改良是通过选择性育种以利于在集约型农业中提高产量。从20世纪开始，科学的作物改良方法极大地加快了某些物种的驯化速度并增加其产量。本文将探索基因组编辑技术对野生物种或弱驯化作物进行定向改良和加速改良的潜力，也将探索使用基因组编辑技术在性状改良及完全驯化的作物。

作物驯化是一个全球性的复杂性多态性的过程，从野生祖先到驯化作物的路径并不是直线的，人们对大多数作物的驯化还不完全清楚。以玉米为例：生活在墨西哥的人们大约在9,000年前从茂密的野草中驯化玉米。在玉米驯化过程中，虽然大量选择了一些大效应的遗传变异，但也选择了许多额外的性状和基因组区域。当人类把玉米从热带地区转移到温带地区时对玉米形态、生理和代谢特征的选择导致玉米产生广泛的多样性。玉米和许多其他例子表明，虽然驯化常常被描述为从野生植物到栽培作物的线性过程，但实际情况更为复杂（如图1所示）。

基因组编辑技术为针对性地加快驯化和作物改良提供了机会，其中应用最为广泛的为CRISPR/Cas及其衍生的其他编辑系统（如图2所示）。利用基因组编辑改良作物特性的例子包括调整大豆脂肪酸比例、增加番茄果实大小、西瓜耐除草剂能力和增加玉米籽粒数。但大多数性状都有复杂的遗传基础，涉及到多个等位基因和位点的相互作用。CRISPR一个特别的优势是可以将多个sgRNA串联用到一个转化事件中，使研究人员能够在一代的时间里同时靶向编辑多个位点。此外，基因编辑机制可以在最终产品中被移除，包括顺势转化、编辑后剔除，甚至以核蛋白的形式传递，这些技术将会避开有争议的转基因生物。

过去选择性育种只能依靠作物或密切相关物种的遗传多样性，而多年生或无性繁殖的物种比一年生物种的进展要慢得多。现有的遗传多样性可能限制作物多样化和适应新环境的能力。基因编辑技术使研究人员能够通过有意修改内源位点来设计多样性，包括设计在任何特定基因库或自然系统中都不存在的新等位基因。这种能力，加上植物功能遗传多样性的储备，为今后作物改良提供了新的策略。虽然基因编辑技术仍然有限，但其精确度允许进行有针对性的修改，以加快作物改良和驯化，并在无性繁殖的植物中部分地将作物驯化与选择性育种分开。因此，将选择性育种和基因编辑结合起来使用，可以使作物驯化和改良比单独使用这两种技术更快、更成功。但与任何新技术一样，其使用也存在潜在的陷阱和限制。最近一系列的出版物指出我们的农业系统面临的许多问题并不容易通过技术解决办法来解决，特别是在全球范围内。基因组编辑技术需要大量的人力和资源，但这是有限的，此外驯化是一个长期、复杂的过程，在大多数情况下需要几千年的时间。作物改良加速了作物转化和适应的速度，但真正的重新驯化，以及对现有食物系统的改造，可能需要几十年的时间。然而，鉴于气候变化给我们的粮食生产带来的深刻挑战，任何技术都不应被抛弃。利用基因组编辑进行重新驯化和作物改良仍然是促进全球粮食安全的一个重要途径。

驯化和作物改良都是复杂的过程，涉及对植物形态和生理的许多改变。如植物形态的改变，这种改变是通过调节植物发育的基因和机制的变化而发生的。从育苗到叶片发育到花序分枝的发展动态影响最终植物的形态，进而影响作物的生产力和产量。基因编辑技术使研究人员能够精确地改变发育基因，进而改变植物形态，提高作物产量 。其中茎尖分生组织（shoot apical meristem, SAM）的发育特性一直是新驯化和作物改良的重点，也是今后研究的重要内容之一。SAM是一个干细胞集群可以产生植物的所有器官，包括花和果实。分生组织的大小与许多植物的器官大小和数量有关，从而影响作物的产量。拟南芥中的CLAVATA3 (Clv3) 与受体CLV1结合，对SAM中干细胞的增殖起负面的调节作用。CLV3和CLV1同系物在差异很大的谱系中具有相似的作用（如图3所示）。因此CLV也是许多世系在进化和驯化的主导下进行基因编辑的理想目标。在现有的技术中敲除基因的功能是简单的，而增强功能则往往更为复杂。因此，负向调节位点是重新驯化和作物改良的特别有吸引力的目标。然而敲除保守的发育功能基因常常导致多态性的、极端的表型，这些等位基因敲除常常降低植物的适应性。影响基因功能的突变可以发生在编码区(氨基酸序列) 或非编码 (基因调控) 序列。因此，与编码序列相比，非编码序列在调控和减少基因表达方面拥有更多的潜在突变目标。事实上，在自然进化和驯化过程中，影响基因表达而非蛋白质功能的非编码等位基因可能比编码等位基因重要得多。例如，通过基因组编辑生成的番茄clv3同源slclv3的非编码等位基因，沿着表型梯度增加了番茄的心皮数和果实大小，提供了可能有助于选择性育种的有价值的数量变异。同样，玉米clv3同源物的弱启动子等位基因也能增加籽粒数。除了clv基因外，启动子编辑技术还成功地应用于番茄中的一些保守发育基因和柚子中的一个抗病性基因。

除了分生组织的大小外，在驯化和改良中，一些保守的遗传途径也被反复选择。玉米和水稻显示出包括谷物生产调节剂在内的同源基因趋同进化的实质性证据。在绿色革命时期，育种者针对玉米、水稻、大麦和小麦的半矮化状态反复选择赤霉素生物合成途径中的变种 。

目前气候变化要求作物必须适应环境条件改变带来的前所未有的挑战。预计这些变化将比进化速度更快、更极端，人口适应新的气候制度的能力可能受到限制。因此基因编辑在重新驯化和作物改良方面使植物适应气候变化下的环境条件。此外，它使我们能够超越农作物的范围，寻求解决生态问题的办法。

传统选择性育种依旧是一项非常重要的技术，考虑或设计有利于育种的性状是重新驯化和作物改良的一个研究方向以利于实现自花授粉和快速、简易地进行受控杂交 (图4所示)。

但从多样性中寻找解决办法的最大障碍是在少数经过充分研究的实验系统之外的植物发育遗传学方面存在着巨大的未知。即使在经过充分研究的系统中，大多数基因的功能也是根据少数基因来确定的。蛋白质结构、调节结构和表型之间的机制联系对大多数基因和蛋白质来说仍然是未知的。作为多物种重新驯化努力的一部分，广泛的基因编辑不仅可能改善作物，而且可能提供关于调节驯化性状的基因的重要功能数据。

虽然目前以驯化和进化为基础的遗传策略取得了丰硕成果。基因编辑使我们摆脱了对随机突变或种内多样性的依赖，并能从植物多样性中获得更广泛的解决方案。但我们对许多对未来作物工程至关重要的植物性状背后的基因知之甚少。因此基因编辑是加速驯化的一种工具，但不是万能的。利用基因编辑进行重新驯化和作物改良仍然需要选择性育种，特别是针对不同地理区域、文化和环境开发的作物。因此，注重那些有利于培育野生植物或驯化能力较弱的植物的特性可能是有成效的。而这些工作需要尊重当地的具体情况并建立广泛的具有植物学专门知识的科研团队，才能尽可能的为选择工程植物和重新驯化植物提供强有力的种质资源和人力支持。要实现这一宏伟目标需要跨越传统界限的合作。

原文链接：

https://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev-arplant-053122-030653

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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