近日，中國農業科學院作物科學研究所作物轉基因及基因編輯技術與應用創新團隊，利用CRISPR/Cas9基因編輯技術，定點敲除小麥品種鄭麥7698中的 TaARE1 基因，獲得了具有高產和氮高效利用潛力的小麥新種質，為培育資源高效利用小麥品種提供了新途徑，對于減少氮肥施用量，增加小麥產量，確保糧食安全和農業可持續發展具有重要意義。7月16日，相關研究成果在《植物學報（Journal of Integrative Plant Biology）》上在線發表。
據夏蘭琴研究員介紹，氮素是植物生長發育必須的營養素之一。農業實踐中主要依靠大量施用氮肥提高小麥產量，滿足人類不斷增長的糧食需求。小麥“綠色革命”后，耐高肥和抗倒伏的半矮稈品種的廣泛種植雖然大幅度提高了小麥產量，但長期過度使用氮肥不僅提高了種植成本，也加劇了環境污染和生態惡化。目前普遍存在品種氮素利用效率低的問題，大多數小麥品種對氮肥的利用效率不足40%。因此，提高氮素利用效率對小麥生產可持續發展至關重要。目前，利用基因編輯技術編輯氮素同化相關基因，提高小麥氮素利用效率的研究還未見報道。
ARE1 是一個重要的氮素同化途徑的負調控因子。水稻中 ARE1 的功能缺失型突變體可以延緩植株衰老并可在氮素有限的條件下提高水稻產量。該研究從冬小麥品種鄭麥7698中分離鑒定出水稻 ARE1 同源基因，分析了 TaARE1 三個同源基因（ TaARE1-A 、 TaARE1-B 、 TaARE1-D ）在小麥中的亞細胞定位和表達模式。進一步通過CRISPR/Cas9技術靶向編輯 TaARE1 基因，經過后代分離，成功獲得了系列無轉基因小麥 taare1 突變體，包括 AABBdd ， aabbDD ， aaBBdd 和 aabbdd 。在缺氮和不同供氮條件下的水培試驗中，不同突變株系的根皮層細胞體積顯著增大，細胞數量增加，尤其是 AABBdd 和 aabbDD 株系增加最為明顯。研究還發現在氮饑餓條件下，與野生型對照相比，不同的突變株系中參與氮素吸收、運輸和同化的關鍵基因均被不同程度的誘導。田間試驗結果表明，在同等種植條件下，與野生型對照相比，所有突變體的植株衰老明顯延緩，粒長和千粒重均有明顯增加； AABBdd 、 aabbDD 和 aaBBdd 突變體的粒寬增加明顯。中國科學院遺傳與發育生物學研究所左建儒團隊于7月20日在《遺傳學報（Journal of Genetics and Genomics）》上也發表了同樣的研究成果，對小麥品種科農199的 TaARE1 基因進行編輯，不同突變體表現出延緩衰老，并可在氮素有限的條件下提高氮素利用效率和產量。上述結果表明： TaARE1 基因的敲除有助于提高小麥氮素利用效率和產量， AABBdd 和 aabbDD 編輯小麥可以作為氮高效高產小麥新種質用于小麥品種改良。該研究結果為進一步通過基因組編輯技術調控氮素同化途徑，提高小麥和其他糧食作物產量提供了新方法。
TaARE1基因的分子特征、鄭麥7698品種中taare1缺失突變體創制及農藝性狀分析
作科所在讀博士研究生張佳慧為論文的第一作者，夏蘭琴研究員為通訊作者。該研究得到了國家基礎科技研發計劃、農業科技創新計劃、中央公益性科研機構基金和中國農科院農科英才“領軍人才”特支計劃的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1111/jipb.13151.
日期：2021-07-26
據夏蘭琴研究員介紹，氮素是植物生長發育必須的營養素之一。農業實踐中主要依靠大量施用氮肥提高小麥產量，滿足人類不斷增長的糧食需求。小麥“綠色革命”后，耐高肥和抗倒伏的半矮稈品種的廣泛種植雖然大幅度提高了小麥產量，但長期過度使用氮肥不僅提高了種植成本，也加劇了環境污染和生態惡化。目前普遍存在品種氮素利用效率低的問題，大多數小麥品種對氮肥的利用效率不足40%。因此，提高氮素利用效率對小麥生產可持續發展至關重要。目前，利用基因編輯技術編輯氮素同化相關基因，提高小麥氮素利用效率的研究還未見報道。
ARE1 是一個重要的氮素同化途徑的負調控因子。水稻中 ARE1 的功能缺失型突變體可以延緩植株衰老并可在氮素有限的條件下提高水稻產量。該研究從冬小麥品種鄭麥7698中分離鑒定出水稻 ARE1 同源基因，分析了 TaARE1 三個同源基因（ TaARE1-A 、 TaARE1-B 、 TaARE1-D ）在小麥中的亞細胞定位和表達模式。進一步通過CRISPR/Cas9技術靶向編輯 TaARE1 基因，經過后代分離，成功獲得了系列無轉基因小麥 taare1 突變體，包括 AABBdd ， aabbDD ， aaBBdd 和 aabbdd 。在缺氮和不同供氮條件下的水培試驗中，不同突變株系的根皮層細胞體積顯著增大，細胞數量增加，尤其是 AABBdd 和 aabbDD 株系增加最為明顯。研究還發現在氮饑餓條件下，與野生型對照相比，不同的突變株系中參與氮素吸收、運輸和同化的關鍵基因均被不同程度的誘導。田間試驗結果表明，在同等種植條件下，與野生型對照相比，所有突變體的植株衰老明顯延緩，粒長和千粒重均有明顯增加； AABBdd 、 aabbDD 和 aaBBdd 突變體的粒寬增加明顯。中國科學院遺傳與發育生物學研究所左建儒團隊于7月20日在《遺傳學報（Journal of Genetics and Genomics）》上也發表了同樣的研究成果，對小麥品種科農199的 TaARE1 基因進行編輯，不同突變體表現出延緩衰老，并可在氮素有限的條件下提高氮素利用效率和產量。上述結果表明： TaARE1 基因的敲除有助于提高小麥氮素利用效率和產量， AABBdd 和 aabbDD 編輯小麥可以作為氮高效高產小麥新種質用于小麥品種改良。該研究結果為進一步通過基因組編輯技術調控氮素同化途徑，提高小麥和其他糧食作物產量提供了新方法。
TaARE1基因的分子特征、鄭麥7698品種中taare1缺失突變體創制及農藝性狀分析
作科所在讀博士研究生張佳慧為論文的第一作者，夏蘭琴研究員為通訊作者。該研究得到了國家基礎科技研發計劃、農業科技創新計劃、中央公益性科研機構基金和中國農科院農科英才“領軍人才”特支計劃的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1111/jipb.13151.
日期：2021-07-26
