基于 CRISPR/Cas9 基因编辑技术的水稻定向改良研究进展

水稻（Oryza sativa L.）是单子叶植物研究的模式作物,同时也是世界上最重要的粮食作物之一。我国是世界上最大的稻米生产国和消费国,水稻在保障粮食安全方面发挥着极其重要的作用。水稻品种的不断改良升级是保障稻米稳产增产的有效途径。以育种家经验为基础的传统育种方式的育种周期长、精准性差、可预见性低,已逐渐不能满足现代育种需求。CRISPR/Cas9 是继锌指核酸酶（ZFN）、转录激活样效应因子核酸酶（TALEN）等技术之后的新一代基因编辑技术,能在不改变受体遗传背景的前提下,精准、定向地改造控制重要性状的功能基因以达到性状快速升级改良的目的,已逐步成为动植物科学研究和作物育种的重要工具。目前CRISPR/Cas9 基因编辑技术已经广泛应用于水稻重要性状的定向改良和种质资源创新研究。综述了 CRISPR/Cas9基因编辑技术的工作原理及其在水稻抗病性、品质、育性、非生物胁迫等方面的研究进展,并对 CRISPR/Cas9技术的发展和未来在水稻育种中的应用进行了展望,为未来 CRISPR/Cas9 基因编辑技术在作物定向改良中的进一步利用提供参考。     

CRISPR/Cas9技术及其在水稻和小麦遗传改良中的应用综述

CRISPR/Cas9技术是新发展的定向基因编辑技术,CRISPR/Cas9技术是在细菌和古细菌中发现的1种抵御外来病毒及质粒入侵的获得性免疫系统。CRISPR/Cas9技术由sgRNA(单向导RNA)介导,与Cas9核酸酶切割实现作物定点编辑改良。本文主要对CRISPR/Cas9技术的工作原理、系统分类、结构、系统构建方法进行了系统介绍。同时,总结了CRISPR/Cas9技术在水稻和小麦的突变体库的建立和基因功能研究、品质和农艺性状遗传改良等方面的研究。并对CRISPR/Cas9技术对作物进行定向编辑改良进行了展望,以期为利用CRISPR/Cas9技术创制新品种、作物品种改良提供参考。     

新型基因编辑技术发展及在植物育种中的应用

近年来出现了几种新型基因编辑技术,包括锌指核酸酶(ZFN)、转录激活子样效应因子核酸酶(TALEN)、规律性重复短回文序列簇与Cas9(CRISPR/Cas9)系统。这些基因编辑技术是通过特异性结构识别靶位点,核酸酶发挥切割作用,对靶位点进行定点编辑,由于此类基因编辑技术具有高效准确、制作简单的特点,已被广泛应用到植物基因功能研究和定向改良植物性状方面。在此综述上述3种新型基因编辑技术的原理,比较不同编辑技术的差异,总结在拟南芥、烟草、水稻、玉米等作物育种中的应用,指出基因编辑存在的问题,对这些技术在基础研究及育种实践中的应用进行展望。     

基因编辑系统CRISPR/Cas9在作物基因工程育种中的应用

作为传统基因工程育种技术,转基因技术在作物分子育种工作中由于其自身的技术原因存在一定的局限性。而基因编辑技术的出现为作物的遗传改良和基因功能的研究提供了新的思路与途径,目前,应用最为广泛的基因编辑技术是CRISPR/Cas9系统,其主要由sg RNA和Cas9蛋白组成,Cas9蛋白在sg RNA的引导下对目标基因进行编辑。简要介绍了基因编辑技术的发展历程以及CRISPR/Cas9系统的结构组成、工作机制、技术优势及其在作物基因工程育种中的应用进展,这可为开展这一领域工作的研究提供有益参考。     

基因组编辑技术及其安全管理

基因组编辑技术利用核酸酶对生物体内的DNA双链进行断裂,并以非同源末端连接或同源重组的方式对基因组DNA特定位点进行突变、缺失或者基因的插入与替换。锌指核酸酶、转录激活因子样效应物核酸酶、成簇规律间隔短回文重复序列是目前基因组编辑技术应用中的3种关键核酸酶。基因组编辑技术已在植物基因功能、育种等领域广泛应用,特别是基于成簇规律间隔短回文重复序列的基因编辑技术CRISPR-Cas9。具有优良性状的基因组编辑大豆、玉米等产品已逐步从实验室走向田间,基因组编辑作物展现了较传统转基因作物更为优越的应用前景。本文简要概述了主要使用的3种基因组编辑技术及其原理。对这些技术的优缺点进行了分析,并依据物种分类梳理了利用上述3种技术在动物、植物中突变体建立、基因功能研究、分子育种等方面的研究进展。同时,针对基因编辑产物的产业化应用前景,讨论了基因编辑技术及其产品较传统转基因技术产品的优势,分析了基因编辑技术及其产品可能因脱靶效应而引发的生物安全风险,介绍了美国、欧盟等国家对基因编辑技术及其产品安全管理和商业化应用的政策。文章结合中国现行法规对转基因生物的定义及安全评价(实质等同、个案分析)原则,讨论了基因编辑技术及其产品的安全管理,初步提出了基于传统转基因生物安全评价框架的基因编辑产品的安全评价和管理思路。针对基因编辑产品需要按照个案原则进行评价和管理,安全评价重点开展分子特征及食用安全评价;同时需要针对基因编辑技术的特点建立更加有效、特异的检测新方法,实现对基因编辑产品的有效监测,以促进基因组编辑产品的商业化应用。     

基因编辑CRISPR/Cas9技术在农业领域的应用

CRISPR/Cas9系统通过靶向突变对植物基因组进行编辑,是研究基因功能和作物改良的第三代基因编辑工具。本文介绍了CRISPR/Cas9打靶系统基本结构、工作原理,并展示了其在作物基因功能研究和品质改良中的应用前景。     

PARMS在水稻基因编辑后代基因分型中的应用研究

基因编辑技术为植物基因功能研究和作物遗传改良提供了有效途径。目前基因编辑植株基因分型多采用PCR/RE法、PAGE检测法、Sanger测序法等手段,但这些方法存在操作复杂、耗时长或成本高等问题。PARMS技术(penta-primer amplification refractory mutation system,五引物扩增受阻突变体系)是最新开发出的基于荧光检测的SNP基因分型方法,具有操作简便、耗时短、成本低的优势。本研究利用PARMS技术对水稻CRISPR/Cas9基因编辑植株进行了基因分型,鉴定结果与PAGE检测和Sanger测序法一致,证明PARMS技术可用于水稻基因编辑植株后代基因分型,也为其它作物基因编辑后代基因分型技术选择提供了参考。     

基于基因组学的作物种质资源研究:现状与展望

作物种质资源工作涉及面很广,包括种质资源的收集、编目、保护、繁种更新、分发利用与信息系统建立等基础性工作,作物起源、驯化与传播、种质分类、民族植物学与传统知识研究等基础研究,遗传多样性评价、重要性状表型鉴定、种质资源基因型鉴定、基因发掘和种质创新等应用基础研究。经过近百年的努力,种质资源的基础性工作已卓有成效,作物种质资源保护与共享利用体系基本建立。但由于主要基于形态学的传统研究思路和方法存在很多先天不足,种质资源基础研究和应用基础研究一直举步维艰,效率低下。随着分子标记技术和第二代测序技术的快速发展,基因组学理论和方法不断深入到种质资源研究的多个层面,使种质资源保护和创新利用发生了研究思路和方法学上的变革。基因组学研究成果为种质资源的有效收集和保护提供了理论指导,也为阐明作物起源和演化、全面评估种质资源结构多样性提供了核心理论和技术,同时大幅度提高了基因发掘和种质创新效率。特别是全基因组测序、重测序和简化基因组测序技术不断成熟,使在全基因组水平上比较不同种质资源基因组变异成为可能;在此基础上,可阐明农作物起源以及驯化、改良和传播对种质资源形成的影响,明确现有种质资源和野外种质资源群体结构和遗传多样性,提出种质资源异地保存和原生境保护的最佳策略;结合表型鉴定数据,利用连锁分析和关联分析等基因组学方法,可高效发掘种质资源中蕴含的新基因和有利等位基因,提出其利用途径和具体方案,并在种质创新过程中充分利用基因组学研究成果提高创新效率。文章评述了基因组学在种质资源研究中的应用现状,特别是在种质资源基因型鉴定、异地保存和原生境保护、作物起源与进化研究、结构多样性分析、新基因发掘和种质创新等方面的应用情况及其发展趋势。提出了今后的发展方向和工作重点,强调把基因组学理论和方法与作物种质资源研究紧密结合,为种质资源的有效保护和高效利用提供强有力的理论、技术、材料与信息支撑。     

全球基因编辑育种创新价值链现状与启示

为明晰我国农作物基因编辑育种创新链的角色地位，从技术创新价值链视角出发，从知识原理、应用技术和产品开发3个维度系统梳理分析了全球基因编辑育种创新链的演化逻辑和最新发展态势。结果表明:1)全球大多数研发资源主要集中在中间环节的应用技术开发和种质资源创制上，处在创新链末端的商业化运用产品相对较少，尤其在我国还没有商业化的基因编辑品种面世。2)对基因编辑的进一步原理性知识创新的空间十分有限。基因编辑作为一种普及的技术手段，未来创新的重点在于利用基因编辑工具创制具有新功能的育种材料和种质资源。3)商业化产品开发目前是基因编辑创新链中最薄弱的环节，且只有开发出能满足市场需求，具有重大社会经济效益的基因编辑成果才有意义。本研究进一步提出了我国建立高效运转的基因编辑农作物育种创新体系和准确定位发展目标的对策建议，为构建具有中国特色的创新价值链提供决策参考。     

农杆菌介导的丹参遗传转化体系研究进展

丹参是我国传统的大宗药材，被广泛用于治疗心脑血管疾病。随着我国心脑血管疾病发病率的逐年攀升，丹参的种质资源也急需有新的提高，转基因技术作为基因功能研究和转基因育种的重要手段在丰富和优化丹参种质资源方面取得了显著成效。通过利用转基因技术中常用的农杆菌介导法来转入外源基因以及探求丹参有效成分合成代谢相关基因功能，以期获得高产、高抗丹参植株的方法已较为成熟，目前研究工作主要集中于不同遗传转化体系的建立和优化。本文就丹参遗传转化体系构建的转化原理、影响因素和研究现状三方面作出详细综述，为今后丹参基因功能研究和新品种培育提供一定参考。     

广东烟草种质资源创新与利用研究进展

烟草种质资源是烟草原始创新、新品种选育及其生物技术产业化的物质基础,是保障烟叶生产安全的战略性资源,对我国烟草可持续发展具有重要意义。烟草原始创新、新品种选育及其生物技术产业化的成效,取决于所掌握种质资源的数量和对其差异性状表现及遗传规律研究,而突破性进展往往依赖于特殊种质资源的发现与利用。由于烟草种质资源遗传多样性丰富,研究内容宽泛、调制类型多样,且具有公益性、基础性和不可再生性等特征,相关研究工作任重而道远。为了解广东烟草种质资源研究现状,介绍了广东烟草种质资源国内外收集、保存的基本情况;阐述了烟草种质资源的分类、鉴定评价及种质创制与利用等方面的研究进展;概述广东生态环境下烟草地方种质资源香气风格形成与新品种选育情况,在此基础上,对目前种质资源繁种更新、精准鉴定、遗传群体研究和种质创制等进行展望。     

The development and application of genome editing technology in ruminants: a review

Transgenic ruminants are a valuable resource for both animal breeding and biomedical research. The development of transgenic breeding is proceeding slowly, because it suffers from low efficiency of gene transfer and possible safety problems from uncontrolled random integration. However, new breeding methods combined with genome editing and somatic cell nuclear transfer or microinjection can offer an economic and efficient way to produce gene-edited ruminants, which can serve as bioreactors or have improved disease resistance, animal welfare and product quality. Recent advances in precise genome editing technologies, especially clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)/Cas9 nucleases, are enabling the systematic development of gene-edited ruminant production. This review covers the development of gene-edited ruminants, the particulars of site-specific engineered nucleases and the state of the art and new insights into practical applications and social acceptance of genome editing technology in ruminants. It is concluded that the production of gene-edited ruminants is feasible and through improvements in genome editing technology it is possible to help feed the world.     

中药材小粒种子丸粒化加工技术研究进展

种子丸粒化技术是一项新型种子处理技术,现已成为现代农业种子处理研究的一个热点。本文对中药材小粒种子丸粒化加工技术研究进展进行综述,以期为中药材小粒种子丸粒化加工技术的研究提供参考。     

新疆自治区农作物种质资源研究现状及战略设想

新疆农作物种质资源十分丰富,尤以野生近缘种为最.目前拥有可容纳10万份作物品种资源的自然中期保存库一座,现保存有世界40多个国家和地区,我国20多个省市自治区和新疆主要农作物品种资源57种作物近2万份.近年来已开展了大量的研究工作,但还存在许多不利的影响因素,制约着新疆作物遗传资源研究的发展.本文依据新疆农作物种质资源研究现状,分析了影响发展的不利因素,提出了未来研究重点,包括资源收集、建立完整的资源保存体系、深入开展鉴定评价、进行种质创新等.     

优质、抗病冬瓜多样化育种研究进展

冬瓜是我国重要的蔬菜作物之一，是现代农产品加工的理想原料和调节市场均衡供应的重要蔬菜作物。随着育种者对品种的人为选择以及商用品种的推广普及 , 冬瓜遗传背景的多样性已逐渐减少。因此 , 加强现有冬瓜种质资源的保护 , 结合现今高速发展的基因组学、高通量基因分型、基因编辑等技术，培育优质抗病冬瓜成为发展趋势。围绕冬瓜产业中存在的关键问题和研究现状，主要从鉴评创新冬瓜种质资源方面、构建冬瓜全基因组信息开展遗传定位辅助育种方面、利用分子生物学阐明冬瓜优质抗病分子机理方面，以及开展配套高效栽培措施等方面进行综述，旨在为培育营养成分丰富、风味浓郁的抗病冬瓜新品种提供参考。     

贵州玉米地方种质主要性状遗传变异研究

对贵州玉米地方品种资源的生育期、株高、果穗性状、抗病性、抗旱性、抗寒性、配合力等主要性状进行了研究,并对其遗传变异、地理分布、来源、特征特性等了进行了分析。结果表明:地方种质具有抗旱、耐瘠、耐寒等优良特性,尤其是具有对不同生态环境的特异适应性。贵州玉米地方种质资源的诸多性状均具有较大的遗传变异,这些变异可用来拓宽现有育种材料的遗传基础,鉴选出一批各具特点的优异资源,为玉米育种提供了进一步改良利用的优选素材。