华南农大庄楚雄课题组将CRISPR/Cas9编辑技术用于水稻育种
杂交水稻育种为提高水稻产量，提供了一种重要的策略，其中雄性不育系的培育，是杂交育种成功的关键。CRISPR/Cas9系统已广泛应用于靶位点的基因组编辑，然而它们在作物遗传改良中的应用却鲜有报道。11月22日，在Nature子刊《Scientific Reports》发表的一项研究中，来自华南农业大学生命科学学院的庄楚雄教授带领的研究小组，利用CRISPR/Cas9系统，在TMS5基因中诱导特异性突变，这是中国应用最广泛的温敏型雄性不育（TGMS）基因。
水稻（Oryza sativa L.）是全球最重要的一种主食，提供了全球几乎四分之一的人类膳食能量供应。随着人口增长，对食品的需求将继续迅速增长，加上有限的耕地以及环境退化，在2030年将需要水稻产量增加40%。目前，杂交水稻已在全球超过40个国家进行培育，并在全球食品供应中起着关键的作用，有着超过常规水稻10%至20%的产量优势，在中国占水稻种植总面积的约60%以上。
在中国，利用三系和两系杂交育种系统培育出来的杂交水稻，在杂交水稻的生产中占有主导地位。三系杂交水稻系统，利用细胞质雄性不育（CMS）系、恢复系、保持系，来生产杂交种子和保持CMS系。恢复系携带特殊的CMS恢复系基因，以恢复特殊CMS系的育性。胞质不育相关的种质资源是有限的：在中国只有1%的水稻种质资源可以作为保持系，在东南亚只有5%的水稻种质携带CMS恢复系基因。
恢复系有限的遗传资源、三系杂交系统中CMS和恢复系较低的遗传多样性，阻碍了进一步的发展。两系育种系统利用光敏核雄性不育（PGMS）或温敏核雄性不育系（TGMS）作为有限条件下的不育系，或可供给条件下的保持系。几乎所有的正常水稻品种可以恢复PGMS和TGMS系的育性，从而提供了更广泛的遗传资源，以更好地利用水稻杂种优势。因此，与三系杂交系统相比，两系杂交系统的优点包括，节省劳动和节省时间、更好的品质和更高的产量、更高的效率和更简单的程序，用于育种和杂交种子生产。虽然两系杂交育种系统的开发比较晚，但它提供了优于三系杂交系统的基本优势，占中国杂交水稻种植面积总数的约1/3。
近年来，我们对于P /TGMS的认识已经获得了很大的进步，水稻中控制P/TGMS性状的几个基因已被克隆出来。Nongken58S，是在1973年首先确定的第一个PGMS水稻，在长日照条件下具有完整的雄性不育，在短日照条件下育性恢复。其PGMS是由pms1、pms2和pms3决定的。
使用传统的育种系统，培育一个新的商业雄性不育系通常需要几年，有时超过十年，使用现代基因工程技术可以大大减少繁殖时间。序列特异性核酸酶（SSN）可在特定的基因组位点诱导靶DNA双链断裂（DSBs），并促进DNA损伤修复的内源性途径，最后导致序列特异性的基因组编辑。作为一种新型的SSN，CRISPR/Cas9编辑系统已被用来在许多物种中敲除靶基因，包括植物。尽管如此，其在作物遗传改良中的应用仍然是罕见的。
在这项研究中，利用CRISPR/Cas9系统，该研究小组在TMS5基因中诱导了特异性突变，并开发了新的“清洁遗传改良”TGMS系。利用CRISPR/Cas9系统，研究人员在TMS5的编码区中设计了10个靶位点用于靶向诱变，并评估了打靶和脱靶效应的潜在频率。
最后，研究人员建立了最有效的构件——TMS5ab构件，用于培育潜在适用的“清洁遗传改良”TGMS系。研究人员还根据不同靶序列的特点，讨论了影响编辑效率的因素。值得注意的是，使用TMS5ab构件，研究人员开发了11个新的“清洁遗传改良” TGMS品系，仅在一年内就可能应用于两个水稻亚种的杂交育种。这一系统的应用，不仅显著加快了不育系的繁殖，而且也有利于杂种优势的利用。
