基因编辑技术在花卉育种中应用的研究进展

基因编辑技术在花卉育种中应用的研究进展作者：阚婷婷汪冲郑志仁张辉

来源：《上海师范大学学报·自然科学版》2021年第01期

摘要：相较传统育种，基因编辑育种能够更精准、高效地改变植物的性状，获得优良的品种. 目前应用基因编辑技术于花卉育种研究的报道相对较少. 该文综述了基因编辑技术，特别是规律成簇的间隔短回文重复/CRISPR-关联核酸内切酶9（CRISPR/Cas 9）在花卉中的研究进展及其局限性，同时还就花卉基因编辑育种的发展方向进行了讨论，希望为将基因编辑更好地应用于花卉育种提供参考.

关键词：花卉; 基因编辑; 规律成簇的间隔短回文重复/CRISPR-关联核酸内切酶9（CRISPR/Cas 9）; 育种

中图分类号： Q 812 文献标志码： A 文章编号： 1000-5137（2021）01-0050-07

Abstract： Gene editing breeding technology can change the plant traits and obtain excellent varieties more accurately and efficiently than the traditional breeding. There are few reported researches on ornamental plant breeding by using gene editing technology.In this review，we mainly summarize the progress on gene editing technology and its limitations，especially clustered regularly interspersed short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9 （CRISPR/Cas 9） in ornamental plant breeding.The future research directions of gene editing in breeding of ornamental plants were discussed as well，which can provide some reference for its further application.

Key words： ornamental plant; gene editing; clustered regularly interspersed short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9 （CRISPR/Cas 9）; breeding

0 引言

隨着人们生活水平的提高，花卉作为装扮环境的主要因素之一，也越来越受到人们的喜爱.为了满足花卉市场需求，培育更多优质花卉品种是花卉育种工作者的共同目标.传统的花卉育种方法主要有杂交育种和突变育种[1]，虽然目前已经培育出了大量花卉品种，但是它们可变

化的性状数量有限，且培育过程耗时费力.

转基因技术是将影响重要性状的功能基因转入目标花卉品种中，可以快速获得新性状的花卉品种.目前通过该技术已经获得了很多优良的花卉新品种，如蓝色玫瑰和微小型菊花等[2].然而，由于各国对于转基因植物政策的限制，目前只有少数转基因花卉品种获得监管部门的批准并进入市场.

以规律成簇的间隔短回文重复/CRISPR-关联核酸内切酶9（CRISPR/Cas 9）为代表的新一代基因编辑技术，是近年来生命科学领域中发展起来的革命性技术，可以通过对植物自身基因的快速、定点改变，实现对植物性状的精准改良，为农业技术革命提供了新契机.

自2013年首次应用于植物的基因组编辑以来，CRISPR/Cas 9系统已在许多物种中得到应用：单子叶植物，如水稻、小麦、高粱、玉米等;双子叶植物，如拟南芥、烟草、大豆、番茄等.并获得了许多性状优良的新种质，如抗白粉病的小麦[3]及抗氧化的马铃薯[4]等.基因编辑技术同样可以提高花卉育种的效率，缩短育种的周期，改良更多花卉的性状等，弥补传统花卉育种的不足.目前已经有一些关于花卉基因编辑的研究报道，但涉及的品种还较少，技术也不够成熟.本文作者对目前已有的花卉基因编辑技术研究进行了综述，并对其应用在花卉育种中的局限性及今后的发展趋势进行了讨论.

1 基因编辑原理及在作物育种中的应用

基因编辑的原理是通过特异的引导序列对目标基因DNA双链进行切割，形成DNA双链断裂（DSB），机体通过自身的修复机制对DSB进行不精准修复时，会造成修复位点碱基的缺失或插入，从而导致基因功能的缺失[5].目前基因编辑系统主要有锌指核酸酶（ZFN）[6]、转录激活物样效应器核酸酶（TALEN）[7]和CRISPR/Cas 9系统[8].CRISPR/Cas 9系统有3个主要组成部分：Cas 9蛋白、CRISPR RNA（crRNA）和反式激活crRNA（tracrRNA）.Cas9是一个核酸内切酶，负责切割DNA序列.在工程化的CRISPR/Cas 9系统中，tracrRNA与crRNA 连接在一起，变成一条单链向导RNA（sgRNA）.sgRNA指导Cas 9实现DNA序列特异性的切割.自2012年CRISPR/Cas 9系统被用于体外DNA序列的切割，特别是2013年被用于哺乳动

物体内特定DNA序列的编辑后，由于其操作简便、成本低和用途广泛等特点，在短短几年内

被广泛应用，并被认为是生命科学研究领域的颠覆性技术之一，也是目前应用最为广泛的基因编辑工具[9].

近年来，利用基因编辑技术改良作物性状的研究已经取得了一系列的成果.如在水稻中，对香味基因OsBADH2[10]、白叶枯病感病基因OsSWEET14 [11]、直链淀粉含量基因OsWaxy [12]等进行编辑，分别获得了具有香味、抗白叶枯病及糯性等特性的新种质，大大缩短了育种时间，提高了育种效率.在六倍体小麦中对MLO基因进行靶向敲除，产生了抗白粉病的小麦[3].在玉米中敲除Waxy1基因，使籽粒中的支链淀粉含量显著提高[13].在大豆中定向敲除脂肪酸去饱和酶2（FAD 2）基因，从而降低了亚油酸和α-亚麻酸的相对含量，同时增加了油酸的积累，提高了大豆油的食用品质[14].基因编辑技术已经在一些主要农作物育种中展现了巨大的潜力，这为将该技术应用于更多物种的性状改良中奠定了基础.

2 花卉基因编辑研究进展

基因编辑技术已成功用于矮牵牛、牵牛花、菊花、百合、蝴蝶兰和夏堇等花卉基因的编辑（表1），在有些物种中成功获得了性状改良的株系.

2.1 矮牵牛的基因编辑研究

矮牵牛（Petunia hybrida）作为花卉研究的一种模式植物，被广泛用于花色和花序发育研究.2016年，ZHANG等[15]在二倍体矮牵牛中，通过农杆菌介导法转化叶片，靶向八氢番茄红素脱氢酶（PDS）基因，在获得的阳性再生植株中，白化表型的株系占55.6%～87.5%.同年，SUBBURAJ等[16]通过核糖核蛋白复合物（RNPs）方法，在矮牵牛原生质体系统中，直接导入纯化的Cas9蛋白和sgRNA，成功对硝酸还原酶（NR）基因进行了靶向编辑.

NAING等[17]通过农杆菌介导法转化叶片，用CRISPR/Cas9系统编辑矮牵牛的乙烯生物合成酶1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶1（ACO1）基因.在T0代株系中，检测到31.5%的靶位点突变频率，其中纯合株系、杂合株系和嵌合株系分别占2.5%，15.0%和82.5%.基因編辑株系中乙烯生成量减少，花期显著延长.该工作为通过基因编辑技术，利用植物乙烯生物合成基因延长花卉的花期提供了实验参考.

野生矮牵牛（Petunia inflata）自交不亲和性是由多态性S位点调控的，S位点包含多个花粉特异性S位点F盒（SLF）基因和一个雌蕊特异性S-RNase基因.花粉中的每一个SLF蛋白

都被组装成一个SCF（Skp1-Cullin1-F-box）E3泛素连接酶复合物.SUN等[18]通过

CRISPR/Cas9系统靶向矮牵牛SCFSLF复合物中的Skp1亚基（SSK1）基因，对矮牵牛自交不亲和机制进行研究，在获得的3个再生植株中有1株的靶基因被成功编辑.

2.2 日本牵牛花的基因编辑研究