基因编辑“流水线”助力作物病害防控

华中农业大学谢卡斌课题组开发了一套名为“FLASH”的基因编辑“流水线”，不仅优化了整个基因编辑流程，还可用于快速识别基因编辑材料的“身份”，帮助找出作物中与抗病、抗逆、产量等重要农艺性状相关的基因。

近日，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室、湖北红山实验室谢卡斌教授课题组在《分子植物》发表研究论文，报道了一种大规模高通量编辑植物基因的方法，并利用该方法编辑水稻中所有受体激酶基因，为快速鉴定抗病、抗逆相关基因提供了新的资源。

基因编辑流程得以高效优化

基因编辑技术在生命科学基础研究和作物遗传改良方面具有巨大潜力，因此近年来已成为生命科学领域的研究热点和科研竞争的制高点。作为一种精确修饰生物DNA序列的技术，CRISPR/Cas9自2013年用于基因编辑以来发展迅速。

随着CRISPR/Cas9基因编辑技术在植物研究中的成熟，利用CRISPR文库进行高通量遗传筛选成为可能。目前CRISPR库的构建策略有两种，即混合库和数组库。其中，杂交CRISPR文库已被许多实验室用于构建水稻、玉米、番茄等作物的突变体库，但尚未有阵列CRISPR文库在植物中应用的报道。

植物CRISPR/Cas9基因编辑技术在农业中的应用越来越广泛。像水稻这样的作物编码成千上万个基因，只有几千个基因的功能被研究过。如何利用CRISPR/Cas9基因编辑技术快速分离和鉴定调控重要农艺性状的基因是植物基因编辑技术领域的重要课题。

谢卡斌是最早开发植物CRISPR/Cas9基因编辑工具的研究人员之一，他的研究团队在这一领域积累了许多新的技术成果。

谢卡斌课题组在前人工具的基础上，创造了靶向敲除1072种水稻受体激酶的基因编辑材料，为快速鉴定抗病、抗逆相关基因提供了新的资源。他们还开发了一套名为“FLASH”的基因编辑“管道”，高效优化了整个基因编辑过程，可以通过常规聚合酶链反应(PCR)和凝胶电泳读取每个载体和转化植物的目标基因信息。

谢卡斌介绍，“流水线”包括设计编辑位点的计算机程序、高效的CRISPR/Cas9基因编辑载体，以及高通量构建基因编辑载体的克隆方法。“更重要的是，我们在‘流水线’中设计了一种新方法，将不同长度的DNA序列引入基因编辑载体中作为标签，快速识别基因编辑材料的‘身份’。”他说。

“地毯式”搜索农作物中特定基因

谢卡斌说，加载标签后，通过简单的PCR就可以快速、实时地读取CRISPR/Cas9载体和基因编辑植物材料的信息。利用这种基因编辑的“流水线”，可以快速构建包含几十个甚至上万个基因材料信息的基因编辑文库。

得益于基因编辑库，研究人员可以“地毯式”搜索所有基因的功能，找出与抗病、抗逆、产量等重要农艺性状相关的基因。

研发了高通量基因编辑的“流水线”，谢卡斌课题组将该技术应用于水稻抗病研究。植物病害一直是农业生产的主要威胁之一。利用现代生物技术提高作物抗病性是应对作物病害的关键手段。

在实验中，研究小组发现一类被称为受体激酶的基因是植物识别病原体的必要成分。利用FLASH基因编辑流水线，课题组陈开远博士在一年左右的时间内完成了1000多种水稻受体激酶的全部基因编辑，目标基因的编辑效率在90%以上。

受体激酶相关基因初步检测后，谢卡斌课题组选择15份遗传材料进行稻瘟病接种试验，鉴定出9个与稻瘟病抗性相关的基因。受体激酶基因的编辑只是一个开始。他们希望利用构建的高通量基因编辑“流水线”，对水稻等主要作物基因进行“地毯式”功能搜索，为作物遗传改良提供理论和技术支持。

谢卡斌表示，基因编辑是CRISPR/Cas9系统最重要的应用。除了基因编辑，CRISPR/Cas9系统还可以转化为不同的农业生产工具。

谢卡斌认为，这些由CRISPR/Cas系统转化而来的工具，将大大加速我们对作物病害的基础研究，也将为作物病害的绿色防控带来新的技术和方法。