【文献分享】PBJ∣CRISPR-Cas9介导水稻开花关键基因调控区的多重编辑微调水稻抽穗期

大家好，今天分享的文献来自南京农业大学和中国农业科学院的万建民院士课题组，标题为“Fine-tuning rice heading date through multiplex editing of the regulatory regions of key genes by CRISPR-Cas9”，于2023年11月6日发表在Plant Biotechnology Journal上。该课题组的研究方向主要包括：水稻遗传育种、水稻分子遗传学、水稻分子育种等。

研究背景：

抽穗期是影响水稻品种季节和区域适应性的一个关键农艺性状。早熟品种不能充分利用光温资源，难以获得高产。晚熟品种在灌浆阶段可能会遇到霜冻胁迫，也会导致产量下降或绝收。通过对抽穗期基因的改造，可以将优质水稻品种的适宜生长面积扩大到更大的区域，从而使优质水稻品种效益最大化。

本文工作：

基于CRISPR-Cas9基因组编辑是一种很有前途的真核生物基因组突变工具。启动子区域上的靶向突变可以定量调节靶基因的表达。本文通过基于CRISPR-Cas9的高效多重启动子靶向（high-efficiency multiplex promoter-targeting, HMP）基因编辑策略，通过编辑抽穗调节主效基因Hd1、Ghd7和DTH8启动子区域改变基因表达水平，获得了一系列抽穗期差异种质资源。

NJ8（宁粳8号）是一个产量高、食用品质好的优良水稻品种，适宜在南京种植。当种植在高纬度地区（如连云港）时，它在灌浆阶段遇到冷风暴的风险很高，导致结实率和产量都较低。利用CRISPR-Cas9敲除主要开花抑制基因Hd1。尽管hd1通常可以在更高的纬度成熟，但它的产量明显低于当地的优良品种，浪费了光和温度资源。

为了微调NJ8的抽穗期，作者利用HMP策略在主要抽穗期基因Hd1的2kb启动子区域上产生几乎均匀分布的双链断裂。获得了抽穗期从约73天到约107天不等的35种基因编辑品系。

PBJ∣CRISPR-Cas9

随后通过田间试验筛选适合不同地区的最佳品系，成功选育出高产品种NJ8的轻度早抽穗优质表型种质，将其推广到更高纬度地区，使其能够在避免霜冻减产的情况下达到最佳生育期以获得预期产量。

接下来，作者又验证了HMP策略也可以适用于其他抽穗期基因。Ghd7和DTH8基因启动子的靶向突变也实现了水稻抽穗期的定量变化。

本研究表明，HMP策略能够定量的优化水稻抽穗时间，成功地将NJ8扩展到更高的纬度，并筛选出最适合连云港的种质。该育种思路对于高产品种在不同地域和气候条件下的推广具有极高参考价值。