不同農藝性狀之間常常存在一種此消彼長的權衡效應（trait trade-off），例如植物高產與抗病、高產與高品質、產量因素間的負相關性等，使得這些優異性狀難以兼得，也使得作物育種難以突破瓶頸。這種權衡效應可能由連鎖累贅（linkage drag）或基因多效性（gene pleiotropy）引起。連鎖累贅可以通過基因的精細定位和交換重組來解決，然而，基因多效性引起的權衡效應仍然沒有有效方法進行解除。此外，目前的基因功能研究主要關注了其產生的優異表型，而忽略了其同時帶來的負效應，使得育種實踐中發現這種負效應難以破除，造成只有少量基因能夠得到很好利用。如何解決基因多效性造成表型間的權衡效應，對于突破現有育種瓶頸有重要科學意義。

2022年4月21日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋/余泓團隊在Nature Biotechnology上發表了題為Targeting a gene regulatory element enhances rice grain yield by decoupling panicle number and size的研究論文，利用平鋪刪除?(tiling deletion)?策略在水稻中通過編輯關鍵基因的順式調控區成功實現了水稻產量關鍵要素間負相關性的解除，為創制全新遺傳資源打破水稻產量瓶頸提供了有效策略。

水稻是最重要的主糧作物之一，養活了世界一半以上的人口。水稻產量主要由三個核心要素決定：穗數、每穗粒數、粒重。然而，這三個性狀在水稻中通常呈負相關。IPA1（Ideal Plant Architecture 1）是此前李家洋團隊鑒定到的一個水稻株型調控的主效基因（Jiao?et al., 2010），編碼一個包含SBP-box結構域的植物特異轉錄因子，調控水稻多方面生長發育過程，對抗病性和環境適應性也有重要調控作用（Lu?et al., 2013; Wang?et al., 2017; Song?et al., 2017; Zhang?et al., 2017; Wang?et al., 2018）。其功能獲得基因型ipa1-1D和ipa1-2D能夠使穗部增大、無效分蘗減少、莖稈粗壯、根系發達，最終顯著提高產量，已廣泛應用于優良水稻品種的培育。但IPA1是一個典型的多效性基因，在增大穗部的同時使分蘗數降低，限制了其增加水稻產量的潛力。

為突破IPA1多效性造成的穗部和分蘗的制約關系，在此項最新的研究中，研究團隊提出了通過改造IPA1的順式調控區，分別調控其在幼穗、莖基部等各組織中的表達水平，實現不同表型的特異性調控，從而打破產量因素之間負效應的策略。但由于之前技術方法的制約，對作物順式調控區功能的研究極為缺乏，而對IPA1順式調控區的功能研究也知之甚少。該團隊使用平鋪刪除(tiling deletion)的方法，通過多靶點CRISPR/Cas9對IPA1的順式調控區進行系統性高覆蓋度的片段刪除，創制出大量IPA1順式調控區平鋪刪除的基因編輯材料，并從中發掘出了一個可以同時提高分蘗數和穗粒數的編輯材料IPA1-Pro10及其對應的54bp關鍵順式作用元件。IPA1-Pro10具有穗重和穗數同時增加、株高變高、莖稈和根系粗壯的表型。經田間小區測產鑒定，IPA1-Pro10與對照品種中花11相比能夠增產15.9%，大大提高了水稻產量。隨后，該研究進一步闡明了IPA1順式調控區調控穗部表型的分子機制，發現馴化關鍵轉錄因子An-1能通過結合54bp關鍵順式作用元件中的一個GCGCGTGT基序特異調控IPA1在幼穗的表達水平，進而特異調控穗部表型。

圖：打破性狀連鎖突破水稻產量瓶頸的分子機制

綜上，該研究為打破表型間制約關系提供了一種可行方法，為突破水稻產量瓶頸提供了新的遺傳資源與研究思路，是該領域的一項重要進展。未來對作物核心基因順式調控區的系統功能挖掘，有望為突破現有作物育種瓶頸提供新的分子機制與遺傳資源。

中科院遺傳發育所李家洋研究組宋曉光副研究員為該論文的第一作者，余泓研究員為通訊作者。論文得到國家自然科學基金委，中科院先導專項，海南省優秀人才團隊的資助。

責編 | 奕樊 （BioArt植物）

往期精品(點擊圖片直達文字對應教程)

機器學習

后臺回復“生信寶典福利第一波”或點擊閱讀原文獲取教程合集

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Nature Biotechnol | 李家洋/余泓团队利用平铺删除策略打破性状连锁，突破水稻产量瓶颈...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。