666 厦门大学学报(自然科学版) 2016年 降低另外,从水稻蛋白质和微量元素着手, Zheng制了一种高产量低甲烷排放的环境友好型转基因水 等6将菜豆种子蛋白质基因导入水稻中表达,使得转稻,该成果发布表在《 Nature》上,通过转基因将大麦 基因水稻种子总蛋白质含量与赖氨酸含量都有所提中的一个疑似控制淀粉合成与分配的转录因子基因 高叶红霞等[6将豌豆铁蛋白基因转入“秀水11”水稻 SUSIBA2过表达在水稻日本晴里,大田实验证明转 品种中,获得富含铁元素且其他重要农艺性状、食味基因水稻基本不仅极大降低甲烷排放而且淀粉合成 品质等均无明显差异的转基因种质材料另外,类似富量增加,水稻产量更高 含β-胡萝卜素的金色稻米等具有特殊营养品质的保 健水稻新品种也在不断的研究和培育之中[6 水稻基因编辑育种 3.2水稻转基因育种与抗虫抗病 病虫害时刻伴随着水稻的整个生产过程中,使用 近几年,基因组编辑技术的高速发展为水稻基因 功能研究和遗传育种改良提供了一种高效的辅助工 的化学药剂不仅成本高,而且污染严重,利用转基因 具.它是利用位点特异性核酸酶在植物基因组DNA 手段培育抗病虫害水稻已有长足发展.抗虫转基因水 序列上造成双链断,激发细胞自身同源重组和非同源 稻所用的外源基因主要有苏云金芽孢杆菌基因、昆虫 蛋白酶抑制剂基因、外源凝集素基因、几丁质酶基因 末端接合的修复机制,从而完成对植物基因组的靶向 营养杀虫蛋白基因、昆虫激素基因等[6,其中苏云金 修饰该技术不仅可以定点修饰作物自身的单个基因 芽孢杆菌基因能有效控制水稻鱗翅目昆虫危害成为 来获取新的性状,还可以同时编辑多个基因,实现多 基因的转录调控、表观遗传调控等衍生技术 当前应用最为广泛的杀虫基因鉴于转基因作物安全 评价上的考虑水稻育种工作者开发了特异性启动子…1单基因修饰 介导的外源蛋白特异性表达,如Ye等67利用绿色组 基因编辑技术是人们开启认识基因功能的新钥 织特异性表达的mbS基因启动子来驱动cryC基因匙,自 TALENS技术形成之后,便广泛应用于包括水 表达,获得了高效抗虫且Bt蛋白仅在绿色组织中高效稻在内的多种生物中L等回利用 TALENs技术靶 表达而在水稻胚乳中基本不表达的转基因株系另外 向修饰了水稻蔗糖转运蛋白基因 OSSWEET14的启 科研工作者还成功地将多个抗虫基因同时导入水稻动子序列,降低了水稻白叶枯病原菌分泌的效应蛋白 培育多价抗虫水稻品种,也达到了可观的效果.目与其结合的能力,从而提高水稻白叶枯病抗性Chen 前,水稻病害主要包括病毒性病害、真菌性病害和细利用 TALENS技术定向敲除了水稻的52个基 菌性病害3个方面,许多重要的抗病基因被分离克因,建立了一个大规模的 TALENS突变体平台研究 隆,并在水稻抗病转基因研究中取得了显著的成绩.者通过运用 Golden gate方法进行 TALENS组装,构 Wang等分离出一个对多数生理小种具有高抗表建植物表达载体,在水稻原生质体中进行 TALENS活 现的Pi基因,并利用该基因转化感病品种日本晴,性检测转化水稻,筛选转基因植株,最终获得突变 得到具有抗性的生理小种003新材料吴家道等m用体,突变效率达30%以上.Shan等采用 TALENS 基因枪转基因技术将高抗白叶枯病的ⅹa21基因导入不对水稻和短柄草中共12个位点进行靶向修饰 恢复系(明恢63)和保持系(皖B)中,二者杂交组合 突变频率介于3.8%~100%之间,获得的突变类型主 要集中在间隔序列上1~20个碱基的缺失.可见,利用 既抗白叶枯病又有较大的增产潜力 TALENS技术定点突变不利基因,实现目标性状的精 3.3水稻转基因育种与生态友好 准改良,对水稻分子育种进程起到了强力的推进作用 伴随着我国工业化和城市化的推进,产生了气候 CRISPR/Cas9是继 TALENS之后另一新兴的基 变暖、土地盐碱化和沙漠化、极端气候事件频发等一因组定点改造工具,由于该系统简单易行、成本更低 系列严峻的生态环境问题,使粮食安全问题日显突转化效率更高,因此在作物的精准遗传改良上已成为 出,因而如何保证水稻产量的可持续性和稳定性,提最为广泛使用的基因组编辑手段Shan等[利用水稻 高水稻环境耐受性,减小水稻生产对环境的影响,是偏爱密码子优化Cas9核酸酶基因,并采用水稻小核 应对气候环境变化的重要课题过去20年,分子生物RNA的U3启动子转录 SgRNA,定点敲除水稻PDS 学的进展挖掘了一系列抗旱、耐淹、耐盐碱、耐寒等逆基因同年, Zhang等和Ma等[分别对水稻ROC5 境耐受相关基因,也创制了一大批耐盐抗逆水稻新品和waxy基因进行靶向修饰,获得的突变体则用于水 种1.2015年,福建省农科院联合瑞典农业大学创稻卷叶育种及糯性育种的研究中. zhang等利用 http://jxmu.xmu.edu.cn厦门大学学报(自然科学版) 2016年 http:∥jxmu.xmu.edu.cn 降低.另 外,从 水 稻 蛋 白 质 和 微 量 元 素 着 手,Zheng 等[63]将菜豆种子蛋白质基因导入水稻中表达,使得转 基因水稻种子总蛋白质含量与赖氨酸含量都有所提 高.叶红霞等[64]将豌豆铁蛋白基因转入“秀水11”水稻 品种中,获得富含铁元素且其他重要农艺性状、食味 品质等均无明显差异的转基因种质材料.另外,类似富 含β-胡萝卜素的金色稻米等具有特殊营养品质的保 健水稻新品种也在不断的研究和培育之中[65]. 3.2 水稻转基因育种与抗虫抗病 病虫害时刻伴随着水稻的整个生产过程中,使用 的化学药剂不仅成本高,而且污染严重,利用转基因 手段培育抗病虫害水稻已有长足发展.抗虫转基因水 稻所用的外源基因主要有苏云金芽孢杆菌基因、昆虫 蛋白酶抑制剂基因、外源凝集素基因、几丁质酶基因、 营养杀虫蛋白基因、昆虫激素基因等[66],其中苏云金 芽孢杆菌基因能有效控制水稻鳞翅目昆虫危害成为 当前应用最为广泛的杀虫基因.鉴于转基因作物安全 评价上的考虑,水稻育种工作者开发了特异性启动子 介导的外源蛋白特异性表达,如 Ye等[67]利用绿色组 织特异性表达的rbcS 基因启动子来驱动cry1C 基因 表达,获得了高效抗虫且Bt蛋白仅在绿色组织中高效 表达而在水稻胚乳中基本不表达的转基因株系.另外, 科研工作者还成功地将多个抗虫基因同时导入水稻 培育多价抗虫水稻品种,也达到了可观的效果[68].目 前,水稻病害主要包括病毒性病害、真菌性病害和细 菌性病害3 个 方 面,许 多 重 要 的 抗 病 基 因 被 分 离 克 隆,并在水稻抗病转基因研究中取得了显著的成绩. Wang等[69]分离出一个对多数生理小种具有高抗表 现的Pib 基因,并利用该基因转化感病品种日本晴, 得到具有抗性的生理小种003新材料.吴家道等[70]用 基因枪转基因技术将高抗白叶枯病的 Xa21 基因导入 恢复系(明恢63)和保持系(皖B)中,二者杂交组合 F1 既抗白叶枯病又有较大的增产潜力. 3.3 水稻转基因育种与生态友好 伴随着我国工业化和城市化的推进,产生了气候 变暖、土地盐碱化和沙漠化、极端气候事件频发等一 系列严峻的生 态 环 境 问 题,使 粮 食 安 全 问 题 日 显 突 出,因而如何保证水稻产量的可持续性和稳定性,提 高水稻环境耐受性,减小水稻生产对环境的影响,是 应对气候环境变化的重要课题.过去20年,分子生物 学的进展挖掘了一系列抗旱、耐淹、耐盐碱、耐寒等逆 境耐受相关基因,也创制了一大批耐盐抗逆水稻新品 种[71-74].2015年,福建省农科院联合瑞典农业大学创 制了一种高产量低甲烷排放的环境友好型转基因水 稻,该成果发布表在《Nature》上,通过转基因将大麦 中的一个疑似控制淀粉合成与分配的转录因子基因 SUSIBA2 过表达在水稻日本晴里,大田实验证明转 基因水稻基本不仅极大降低甲烷排放而且淀粉合成 量增加,水稻产量更高[75]. 4 水稻基因编辑育种 近几年,基因组编辑技术的高速发展为水稻基因 功能研究和遗传育种改良提供了一种高效的辅助工 具.它是利用位点特异性核酸酶在植物基因组 DNA 序列上造成双链断,激发细胞自身同源重组和非同源 末端接合的修复机制,从而完成对植物基因组的靶向 修饰.该技术不仅可以定点修饰作物自身的单个基因 来获取新的性状,还可以同时编辑多个基因,实现多 基因的转录调控、表观遗传调控等衍生技术. 4.1 单基因修饰 基因编辑技术是人们开启认识基因功能的新钥 匙,自 TALENs技术形成之后,便广泛应用于包括水 稻在内的多种生物中.Li等[76]利用 TALENs技术靶 向修饰了水稻蔗糖转运蛋白基因 OsSWEET14 的启 动子序列,降低了水稻白叶枯病原菌分泌的效应蛋白 与其结合的能力,从而提高水稻白叶枯病抗性.Chen 等[77]利用 TALENs技术定向敲除了水稻的52个基 因,建立了一个大规模的 TALENs突变体平台.研究 者通过运用 GoldenGate方法进行 TALENs组装,构 建植物表达载体,在水稻原生质体中进行 TALENs活 性检测,转化水稻,筛选转基因植株,最终获 得 突 变 体,突变效率达 30% 以 上.Shan 等[78]采 用 TALENs 技术对水稻和短柄草中共12个位点进行靶向修饰, 突变频率介于3.8%~100%之间,获得的突变类型主 要集中在间隔序列上1~20个碱基的缺失.可见,利用 TALENs技术定点突变不利基因,实现目标性状的精 准改良,对水稻分子育种进程起到了强力的推进作用. CRISPR/Cas9是继 TALENs之后另一新兴的基 因组定点改造工具,由于该系统简单易行、成本更低、 转化效率更高,因此在作物的精准遗传改良上已成为 最为广泛使用的基因组编辑手段.Shan等[79]利用水稻 偏爱密码子优化 Cas9核酸酶基因,并采用水稻小核 RNA 的 U3启动子转录sgRNA,定点敲除水稻 PDS 基因.同年,Zhang等[80]和 Ma等[81]分别对水稻ROC5 和Waxy 基因进行靶向修饰,获得的突变体则用于水 稻卷 叶 育 种 及 糯 性 育 种 的 研 究 中.Zhang 等[80]利 用 ·666·