近日，我室刘耀光/郭晶心团队在植物学领域权威期刊《Plant Biotechnology Journal》上发表了题为“Fine regulation of heading date by editing the untranslated regions of heading-related genes in rice”的研究论文。该研究证明UTR区普遍具有不同程度的正调控基因功能的作用，建立了编辑UTR弱化基因功能的技术。
分子设计育种是提升水稻产量和品质的关键途径，基因组编辑技术是分子设计育种的有力工具。通过基因编辑敲除负调控农艺性状的基因，已经成功实现了水稻株型、粒型等性状的定向改良。但是对有些基因，功能完全丧失会给农艺性状带来负面影响。因此需要开发简单高效的微调基因功能的技术。真核生物成熟mRNA的UTR序列（Untranslated Region），具有调控mRNA稳定性和翻译的重要作用。水稻抽穗期是指从播种到始穗的天数。通常情况下，上游的抽穗期基因通过调控成花素基因Hd3a，RFT1的表达控制抽穗早晚。Hd3a，RFT1的表达量越高，材料抽穗期越早。因此，编辑抽穗期基因的UTR，可以通过抽穗表型和成花素表达定量评估编辑效果。研究选择了7个抽穗期基因，Hd3a、RFT1、PRR37、Ehd1、Ehd3、MADS51、SDG724，在它们的5'UTR、3'UTR和编码区分别设计双靶点，构建了21个载体，通过农杆菌介导转化粳稻品种中嘉8号(ZJ8)。一共获得42个T2株系（靶点纯合且无转基因），突变类型包括片段缺失，倒位，小的插入和缺失（图1a）。研究在广州（23.13°N/113.27°E）早季自然长日条件（NLD, 3月中旬到7月中旬）和晚季自然短日条件（NSD, 7月中旬到10月）下，调查ZJ8和上述T2株系。发现相较ZJ8，编码区敲除系KO均延迟抽穗，说明这7个抽穗期基因在ZJ8的背景中促进抽穗。而不同基因的UTR编辑株系的抽穗期的延迟程度不同，普遍弱于编码区敲除系。研究通过计算调控效应来量化UTR的作用，UTR调控效应=（编辑系抽穗期-野生型抽穗期）/野生型抽穗期*100%，正值代表UTR正调控基因功能（图2bc）。结果表明: (1) 同一基因的5’UTR和3’UTR的调控效应不同。例如Hd3a 3'UTR的编辑系主要为大片段缺失，调控效应与编码区敲除系KO-Hd3a的效应类似，但明显高于5'UTR编辑系的调控效应。(2) 不同基因的5'UTR功能不同。Ehd3的5'UTR编辑系，调控效应明显弱于其编码区敲除系，而SDG724 5'UTR编辑系的调控效应很强。 (3)Ehd1的5'UTR和3'UTR的调控效应很弱，没有明显作用。RT-qPCR表明，大部分UTR编辑株系中Hd3a和RFT1的表达量低于野生型ZJ8（图1d）。证明7个抽穗期基因的UTR具有不同程度的正向调控作用。现有的微调基因功能的基因编辑方法中：启动子编辑需要获得启动子不同位点的多种变异材料，单碱基编辑需要对蛋白关键结构域进行饱和突变，两种方法都需要经过大量的筛选鉴定工作。定点敲入方法需要扎实的前期研究基础，明确敲入DNA片段的功能。研究开发的编辑UTR的技术优势在于：（1）无需前期研究基础；（2）可微调基因功能；（3）操作简单，仅需在基因UTR区设计两个靶点，删除部分UTR序列；（4）能实现高通量，利用多基因编辑载体系统可同时编辑多个基因的UTR，微调多个基因的功能。基因功能鉴定和基因组编辑技术为作物的综合改良提供了有利的支撑。众多的负调控农艺性状的基因已经被克隆，包括负调控株型的基因（SD1, OTUB1, IPA1, miR156），负调控穗型和粒型的基因（Gn1a, GS3, GW5, DEP1）, 负调控品质的基因（Wx，Badh2, GluA2），负调控抗性的基因（OsERF922, SWEET13,SWEET14，ARE1），负调控驯化性状的基因（An-1, An-2,SH4,qSH1,TAC1）等等。利用植物多基因编辑载体系统，和编辑UTR弱化基因功能的技术，并结合其他的基因敲弱或基因敲除技术，可根据育种目标同时快速地实现材料多个农艺性状的改良。华南农业大学的在读博士生许冰群与郝雨为论文共同第一作者，华南农业大学刘耀光院士和郭晶心研究员为论文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、广东省基础与应用研究重大专项、“十四五”农业科技创新十大重点公开竞争项目、广东未来作物精准育种基础研究中心重大项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1111/pbi.70114
Fig. 1 CRISPR/Cas9 editing of the UTRs of seven heading date genes (Hd3a, RFT1, PRR37, Ehd1, MADS51, Ehd3, and SDG724).
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