│端午安康

優(yōu)化光合效率是開(kāi)發(fā)更可持續和高產(chǎn)作物品種的一個(gè)非常有前途的策略。這一方法有可能顯著(zhù)提高田間作物的農藝性狀，已有幾項突破性成果證明了這一點(diǎn)，例如構建新的光呼吸支路、提高替代電子傳遞途徑的效率或增加熱耗散NPQ。6月7日，Science Advances在線(xiàn)發(fā)表美國加州大學(xué)伯克利分校植物與微生物生物學(xué)系Krishna K. Niyogi課題組題為"Multiplexed CRISPR-Cas9 mutagenesis of rice PSBS1noncoding sequences for transgene-free overexpression"的最新研究論文。報道了該研究小組通過(guò)CRISPR/Cas9工具編輯植物中自然存在的參與光保護過(guò)程的基因來(lái)改變光合作用。

研究人員通過(guò)對水稻PSBS1基因上游的非編碼序列進(jìn)行了多重CRISPR-Cas9誘變，借助利用高通量篩選方法分離出了120個(gè)基因編輯的等位基因，基因敲除到過(guò)表達使得它們在體內具有不同的非光化學(xué)淬滅(NPQ)能力。過(guò)表達使OsPsbS1蛋白豐度增加了兩到三倍，與轉基因獲得的倍數變化相當。PsbS 蛋白豐度的提高增強了NPQ 能力和水分利用效率。在本研究解決的遺傳變異中，研究人員發(fā)現了5′UTR 插入缺失和倒位在分別驅動(dòng)基因敲除/敲低和過(guò)表達表型中的作用。復雜的結構變異，如這里產(chǎn)生的252 kb的重復/倒位，證明了CRISPR-Cas9在促進(jìn)基因組重大變化方面的潛力，而對轉錄組的脫靶擾動(dòng)可以忽略不計。相關(guān)的研究結果可為未來(lái)針對超常等位基因的基因編輯策略提供參考，并推動(dòng)了對具有加速光保護弛豫的基因編輯非轉基因水稻植物的研究。

本研究中，高通量篩選編輯等位基因的大致流程如下，通過(guò)農桿菌介導的轉化方法將針對PSBS1基因上游特定gRNA位點(diǎn)的CRISPR-Cas9構建體引入水稻愈傷組織，生成了覆蓋PSBS1表達水平范圍（從敲除（KO）到過(guò)表達（OX））的突變等位基因庫。使用高通量葉綠素熒光篩選評估不同等位基因的NPQ能力，從78株二倍體T0植株中鑒定出穩定、可遺傳的表型。其中葉綠素熒光的測量通過(guò)葉綠素熒光成像系統MAXI-IMAING-PAM完成。

另外，植物表型與蛋白表達關(guān)系的研究結果是鑒定出兩種顯著(zhù)提高PsbS蛋白豐度和NPQ的等位基因，但OX等位基因的頻率較低（1.67%）。研究發(fā)現，OX等位基因使OsPsbS1蛋白豐度增加了兩到三倍，增強了NPQ能力和iWUE。PsbS豐度和NPQ之間存在對數關(guān)系，表明PsbS豐度的微小增加對NPQ能力的影響很小，這導致在篩選過(guò)程中KO/KD突變的富集。

結構變異和表型效應的研究發(fā)現，5′UTR插入/缺失和倒位在推動(dòng)KO/KD和OX表型中起著(zhù)重要作用。復雜的結構變異（如252-kb的重復/倒位）顯著(zhù)影響基因表達，而不會(huì )引起主要的脫靶轉錄組擾動(dòng)。轉錄組分析顯示，在重復/倒位區域內外的差異表達基因，表明基因調控的目標性和特異性。

氣體交換和紅光依賴(lài)的表型研究發(fā)現，PSBS1的過(guò)表達在非常高的光強下增加了NPQ能力，但也顯示了在中等光強下PsbS蛋白豐度和iWUE之間的強相關(guān)性。這表明除了NPQ之外，其他因素（如類(lèi)囊體醌的氧化還原狀態(tài)）可能參與了在不同光照條件下調節光合作用和氣孔導度。

總之，本研究的諸多發(fā)現強調了CRISPR-Cas9在通過(guò)靶向基因編輯產(chǎn)生顯著(zhù)遺傳變異和改善農藝性狀方面的潛力。高通量篩選方法有效地鑒定出理想表型，但OX等位基因的低頻率表明隨機順式調控元件誘變的挑戰。理解順式調控機制并改進(jìn)基因編輯策略，有助于開(kāi)發(fā)具有顯著(zhù)農藝效益的小效應等位基因。