利用定向人工进化策略创造葫芦科瓜类作物全新的株型性状

责编 | 王一
随着全球人口的快速增长和耕地面积的逐渐减少，改良农作物以提高生产效率已成为农业发展的重中之重，然而遗传基础狭窄是农作物改良难以取得突破性进展的全球问题。
近期，来自中国农业科学院蔬菜花卉研究所、深圳农业基因组所、西北农林科技大学、北京市农林科学院蔬菜研究所等4家合作单位的研究团队，针对葫芦科瓜类作物遗传基础狭窄难以获得紧凑株型的问题，提出了一种定向进化策略，通过筛选近缘种中具有育种价值的显性矮生稀有变异，针对性地在其他多种瓜类作物中人工产生新的变异，创造出原本自然界不存在的紧凑株型连续体，大大提高了葫芦科瓜类作物的生产效率，显著节省了劳动力的投入。相关研究成果于2022年12月12日以Architecture design of cucurbit crops for enhanced productivity by a natural allele为题发表在Nature Plants上。

黄瓜、甜瓜和西瓜等葫芦科瓜类作物是世界上重要的经济蔬菜/水果作物，主茎和节间较长是这些葫芦科作物的未被驯化的特征，因而需要较大的种植面积，耗时费工，生产效率低下。具有显性遗传的特征，并且不影响座果和产量的紧凑株型已成为葫芦科作物急需改良的一个重要方向，然而，由于遗传基础狭窄，目前黄瓜和西甜瓜中尚没有发现具有重要育种价值的紧凑株型的材料。
为了解决这一育种难题，研究团队在2000多份南瓜种质中寻找到唯一一份由显性单基因控制的中国南瓜矮化种质。图位克隆和遗传验证揭示南瓜CmoYABBY1基因的5’UTR上一段76bp的缺失，通过增强CmoYABBY1的蛋白翻译水平，使得南瓜主茎极度缩短。分析发现该76bp序列中存在一个在葫芦科作物中保守的元件B-region，研究团队利用CRISPR/Cas9基因编辑工具对黄瓜和西瓜中的B-region进行靶向删除，创造出B-region各种不同的缺失形式，不同程度的增强了YABBY1的翻译量，进而不同程度的缩短了黄瓜和西瓜的主茎长度，从而实现了茎长的精细调节。研究团队根据不同瓜类作物的不同栽培模式，将基因编辑获得的新等位基因植株进行精确配置，发现基因编辑的矮化植株可以显著的提高单位面积产量或显著降低劳动力成本。