经典文献|用于转基因植物研究和产品开发的高通量表型平台


发布时间:

2022-01-24

来源:

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作者:

PhenoTrait

  到2050年,世界人口预计将达到97亿。随着人口的增加和生活水平的提高,对食物的需求正在加速。在可耕地和其他资源不断减少的情况下,为了满足对粮食日益增长的需求,农业需要所有可用的工具来可持续地提高作物产量。开发有效的转基因(genetically modified,GM)性状以保护作物免受非生物和生物胁迫是可持续增产的一个关键方面。高效的性状鉴定和将性状快速整合到商业优质种质中需要强有力的、快速的性状检测。

 

  典型的农业生物技术公司的产品开发流程包含5个关键的开发阶段。第一阶段的重点是利用各种发现工具发现潜在有效基因。第二阶段的重点是通过在受控的环境环境下对作物进行测试,以及在田间测量所需的性状,来确定基因的有效性。三期通过大规模的田间试验和更多的种质资源扩大了药效试验。第三阶段也是公司开始收集早期数据以便提交监管机构的时候。第四阶段主要致力于将已证实的基因渗入商业优质种质,并产生有关转基因产品安全的监管数据。第五阶段或最后阶段的重点是提交安全相关文件,以获得美国主要机构(如USDA、EPA、FDA)以及主要市场国家的监管机构的批准。

 

  孟山都(Monsanto)已经开发了大量高通量表型平台,以支持快速性状识别和整合。本文综述了在孟山都部署的用于评估和推进研发中的产品的高通量表型平台的不同类型和用途:第一阶段的RootArray(图1),第二阶段的RootXpose(图2),和第三阶段的自动化温室(图3)和现场测试(图4),标记辅助选择(marker-assisted selection,MAS)和标记辅助回交(marker-aided back cross,MABC)。

 

  通过多种表型平台证明其有效性的转基因需要整合到商业优质种质中。快速、高效的特征集成是产品开发成功的关键。将优质种质的多种育种性状与多种转基因技术相结合是一个巨大的挑战。每个性状在基因组中必须有足够的物理距离,并有一个清晰的标记来跟踪其在基因组中的存在,以便有效地整合。新一代测序平台等技术创新使具有序列多态性的基因分型比以往任何时候都更经济、更快。在孟山都,最先进的机器人技术被应用到标记分析过程中,可以为世界各地的育种者进行数百万种植物标记分析(图5)。

 

  种子切片技术允许在播种前进行基因分型。在实施切种技术之前,必须先种植分离的转基因群体,收获组织样本,进行基因分型,确定具有性状的植株系,并使其他不需要的植株变细,然后才能将需要的植株在田间繁殖以生产种子。使用切片种子材料的MAS可以跳过这些耗时和劳动密集型的过程,直接进入植物繁殖生产种子(图6)。

 

  转化或性状整合成商业优质种质需要数年的多轮回交。成本效益高通量标记开发过程有利于标记接近位置的性状在基因组中感兴趣。利用该标记和基因分型工具,显著缩短了性状整合过程,节省了产品开发的资源和时间。MABC为孟山都的产品开发带来了巨大的影响,与传统的性状整合过程相比,该方法节省了1-2年的时间,并通过增加回交群体中重复亲本基因组的百分比来提高性状整合的成功率(图7)。

 

  图1 RootArray系统,可以进行植物幼苗的体内基因表达研究。小型植物幼苗可以生长在微室和不同的溶剂或刺激可以提供使用微流体。通过无创共聚焦成像检测标记基因表达,可以监测基因表达。

 

  图2 大豆生长在RootXpose系统。整个根系的复杂性可用于三维表型,而不需要挖掘。

 

  图3 自动化温室中的植物每天通过传送带系统进行成像表型和自动施肥。在每一个处理日,温室隔间里的植物通过传送带系统被自动称重、成像和浇水,然后被放回相同的温室隔间,但每次的位置都不同,以使温室隔间里任何潜在的微环境变化归一化。

 

  图4 广阔的测试区域使有效的产品识别和发展成为可能。孟山都公司在美国关键市场区域的现场测试网络在地图上以点表示,现场测试结果的“火山”图表明,只有少数基因通过现场测试并进入下一阶段的开发。

 

  图5 最先进的机器人技术为世界各地的育种者提供了数百万份植物DNA标记分析。96孔中每孔放入少量干燥的植物组织材料,进行自动DNA提取过程,在分析装配中自动添加PCR反应试剂,在分析反应过程中采用多孔方式进行PCR反应,在分子染料图像检测过程中,染料强度与目标序列扩增成正比。

 

  图6 自动切片消除了手工取样植物组织进行基因分型的瓶颈。

 

  图7 MABC加速了性状向优质种质的整合。标记辅助选择通过选择具有相关标记的后代来加快产品开发,并在回交后代中快速丰富循环亲本基因组以获得更高的质量。

 

  本文回顾了孟山都公司在产品开发中一些新的和现有的表型平台的案例,强调表型平台在后基因组测序时代对产品开发的重要性。整合有效高效的表型鉴定平台,进行性状鉴定和验证,不仅是公司产品开发成功的关键,也是作物生产不断创新,以满足世界人口增长的需求的关键。

 

  来源:Dongyul S . High-Throughput Phenotyping Platforms for Transgenic Plants in the Research and Product Development[J]. Plant Breeding & Biotechnology, 2015.

 

  编辑:王春颖

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