转座子(transposable elements, TEs)是真核生物基因组中广泛存在的DNA重复序列,约占水稻基因组的35%。转座子作为植物产生遗传变异的重要来源，通过多种机制调控基因表达及表型变异。水稻的泛转座子变异图谱研究表明，转座子在水稻驯化和育种性状改良中起着十分重要的作用。2024年10月1日，李家洋院士领衔的中国科学院遗传与发育生物学研究所和崖州湾国家实验室的科研团队合作在国际著名学术期刊Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“Generation of OsGRF4 and OsSNAC1 alleles for improving rice agronomic traits by CRISPR/Cas9-mediated manipulation of transposable elements”的研究论文。该研究通过对水稻基因OsGRF4或OsSNAC1的非编码区进行转座子编辑，实现了对目的基因表达的精确调控，创制的优良等位基因为作物遗传育种提供了新策略。
微型反向重复转座子(miniature inverted-repeat TEs, MITEs)是一种短小、非自主的 DNA 转座子(100-800 bp)，是水稻基因组中数量较多的转座元件，至少与58%的水稻基因紧密相关。研究表明MITEs是水稻基因表达变异的主要驱动因素之一，利用MITE 插入多态性进行全基因组关联研究有助于挖掘控制农艺性状的潜在基因。该研究推测通过CRISPR/Cas9基因编辑技术合理设计基因非编码区的MITEs转座子分布可以上调或者下调目标基因的表达，从而创制新的基因等位基因型来改良水稻性状。为验证这一设想，该研究选择了水稻中的生长调节因子4基因OsGRF4 (growth-regulating factor 4)和胁迫响应基因OsSNAC1 (stress-responsive NAC1)进行研究。OsGRF4 可正向调控水稻产量的相关性状，在其终止密码子下游的1200 bp内插入了一个 294-bp的PIF/Harbinger超家族MITE。OsSNAC1 可以增强水稻的耐盐性，但在其上下游非翻译区中均未检测到MITE。研究发现水稻某些基因下游非编码区中的MITE可以介导靶基因的翻译抑制，因此该研究推测可以通过 CRISPR/Cas9技术删除OsGRF4下游非翻译区中的MITE创制出过表达的等位基因型。作者针对OsGRF4基因的MITE靶区域设计并构建了2个CRISPR/Cas9 sgRNAs对其进行编辑。对得到的无转基因的纯合突变体进行研究发现：OsGRF4基因的MITE删除使得OsGRF4mite突变体中靶蛋白的丰度都得到了提高，与产量相关的农艺现状得到了改善（图）。据报道，水稻基因上游非翻译区中的一些MITEs 可作为增强子，如 miniature Ping (mPing) TE，可以增加盐胁迫响应基因的转录水平。因此，作者尝试将 430-bp 的 mPing 插入到耐盐基因 OsSNAC1的上游非翻译区。对得到的纯合突变体进行研究发现：OsSNAC1基因的MITE插入使得OsSNAC1MITE突变体中靶基因的转录水平在盐胁迫下得到了提高，增强了其耐盐性（图）。本研究为转座子驱动的作物遗传育种提供了新途径。
中国科学院遗传与发育生物学研究所的博士研究生郑云娜，崖州湾国家实验室水稻创新团队的科研主管陈明江博士和博士后熊敦品为论文的共同第一作者，青年科学家王洪文为通讯作者。李家洋院士对这次科研合作给予了大力支持和指导。该研究得到了海南省院士创新平台专项科研基金、科技创新2030重大项目、崖州湾国家实验室2023年基础研究项目、国家自然科学基金委以及海南优秀人才团队项目的资助。
图: 通过基因编辑技术合理设计非编码区的MITEs转座子分布来改良水稻性状
