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Nature Plants: 通过“病毒喷雾转染技术”实现作物调节

Nature Plants: 通过“病毒喷雾转染技术”实现作物调节

  • 分类:植物表型资讯
  • 作者:PhenoTrait
  • 来源:本站
  • 发布时间:2021-02-16 06:10
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【概要描述】传统的植物育种或基因工程可以修改对作物生长和行为的遗传控制,但是一旦播种所有的生长和行为也就固定了。新型病毒喷雾转染技术可以在生长季内短暂改变基因表达来调节农艺性状,同时避免对基因组的修饰。 今天,《Nature Plants》发表了昆士兰大学Lee Hickey教授的评论性文章,对Torti等提出的病毒喷雾转染技术做了介绍

Nature Plants: 通过“病毒喷雾转染技术”实现作物调节

【概要描述】传统的植物育种或基因工程可以修改对作物生长和行为的遗传控制,但是一旦播种所有的生长和行为也就固定了。新型病毒喷雾转染技术可以在生长季内短暂改变基因表达来调节农艺性状,同时避免对基因组的修饰。 今天,《Nature Plants》发表了昆士兰大学Lee Hickey教授的评论性文章,对Torti等提出的病毒喷雾转染技术做了介绍

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  • 作者:PhenoTrait
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传统的植物育种或基因工程可以修改对作物生长和行为的遗传控制,但是一旦播种所有的生长和行为也就固定了。新型病毒喷雾转染技术可以在生长季内短暂改变基因表达来调节农艺性状,同时避免对基因组的修饰。 今天,《Nature Plants》发表了昆士兰大学Lee Hickey教授的评论性文章,对Torti等提出的病毒喷雾转染技术做了介绍。

 

现代植物改良技术已经在农业上产生广泛影响。将合适的基因型与合适的环境和合适的管理方式配合,是克服各种生物和非生物胁迫提高产量的有效途径。

 

种子播种后,基因型就固定了,许多管理决定例如整地、种植日期和植物密度等都可以决定。但是环境仍然是“未知数”。随着全球气候变化的发生,预测温度和降雨量变得越来越具有挑战性。因此,在整个生长季中,施加农药、化肥和植物生长调节剂仍然是改变作物生长和恢复力的唯一可用选择。

 

然而,在本期《Nature Plants》中,Torti等证明了控制作物生长和发育的调节回路在生命周期中可能会发生短暂变化(Torti, S. et al. Transient reprogramming of crop plants for agronomic performance. 2021, Nat. Plants https://doi.org/10.1038/s41477-021-00851-y)。

 

通过传统的植物育种方法或尖端的基因组工程技术对作物品种进行遗传改良,都涉及在DNA水平上的遗传修饰,这些修饰在所得植物品种中能保持固定。相反,瞬时解构的病毒系统允许在RNA水平上重新编程,而无需基因组修饰。在过去的几十年中,该系统已经过逐步设计,并专注于生物制药应用以产生高水平的重组蛋白。使用农杆菌介导的方法将病毒载体传递到植物中,利用RNA病毒的扩增潜力,经过工程改造以实现细胞间和系统性运动,从而促进远处器官的瞬时表达。此外,可以设计病毒载体系统来表达或沉默关键基因,从而增强性状操纵的多功能性,同时克服利用双链RNA的其他瞬时技术的局限性。

 

Torti等证明了通过病毒喷雾转染技术改变多种植物品种的农艺性状(例如株高和开花时间)的潜力。这种灵活的方法意味着在种植时锁定基因型不再是控制作物行为的主要决定因素。

 

尽管农民可以在未来几年中从这项技术中受益,但植物研究人员和育种者可能会更快受益。为了支持研究工作,现在可以瞬时表达靶基因以调节相关性状。由于最新的测序技术可用于揭示对性状表达至关重要的信号传导途径和下游成分,因此可以发现更合适的基因靶点用于病毒转染技术。

 

传统植物育种是作物持续遗传改良的高效过程,但它也是一个耗时的过程。现在可以将新技术无缝集成到当前实践中,以帮助加速遗传增益。例如,当前的加速育种(Speed breeding)方案(直播 | Lee Hickey:Speed breeding crops to feed 10 billion)使用受控的光照和温度机制来诱导早花并减少世代时间,但是当应用于需要长期耐寒(春化)的冬季作物时,效率较低。为了克服该限制,可以短暂操纵开花途径中的关键基因,以避免进行春化处理并减少生成时间。同样,加速育种方法可以应用于幼年较长的园艺作物,例如苹果。因此,在研究和育种应用中,瞬时喷雾技术都具有加速作物改良的巨大潜力。

 

病毒喷雾转染技术用于农业的场景

 

对于农作物生产,该技术可以提供新的管理工具来调节农艺性状。根据当地的天气条件,可以选择性地重编程发育途径中的关键基因。例如,如果预报早播作物小麦面临没有降雨的环境,则可以操纵FLOWERING LOCUS T(FT)的表达以诱导早花并避免干旱胁迫(图1)。植物发育基因是喷雾瞬时技术的明显目标。但是,这些“主要调节者”通常会对多种性状产生多效作用。例如,通过限制对促生长激素赤霉素的反应,绿色革命矮化基因Rht-1赋予矮身材以减少倒伏,但也降低了早期活力和杂草竞争力。如果可以在工业规模上应用瞬时喷雾技术,那么它可以规避多效性发育基因,并实现新的性状组合,从而在本季节内实现最佳作物生长。

 

城市和垂直农业系统正在迅速扩大,特别是在人口稠密但耕地少的地区。为此需设计出更适合室内生产的紧凑型高产植物品种。喷雾技术可用于瞬时调节通常在户外种植的高价值农作物(例如蓝莓或鳄梨)的生长,以使其适合室内生产。

 

喷雾方法将需要高度优化,因为病毒骨架的类型和喷雾的化学成分可能需要特定于物种的定制。要将喷雾应用于开阔环境,这些优化只会变得更加复杂。目前,该方法只能改变单个基因的表达,但是可以通过使用多次喷雾来克服这一局限性。理想情况下,该技术可以进一步发展为通过一次喷洒在多个基因的控制下操纵复杂性状。

 

任何新技术的最大担忧之一是它可能对环境和消费者产生的影响。自限农杆菌的使用降低了与其他土壤微生物相互作用和/或下一个种植周期的风险,从而限制了环境风险。或者,包装的病毒颗粒可以用作递送方法,以减少与将DNA物质释放到环境中相关的潜在调节障碍。这一令人振奋的进步为协助植物研究和加快育种提供了一种新工具,并可能在气候变化加剧时改善管理选择以最大化农作物的生产力。

 

来源:

Massel K, Godwin I, Hickey L, Tunable crops are just a spray away. Nature Plants, 2021, http://dx.doi.org/10.1038/s41477-021-00849-6

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