Plant Com | 庆尚大学Jae-Yean Kim课题组总结CRISPR工具在培育抗旱和抗盐碱作物中的应用和挑战

气候变化引发的长期干旱阻碍了植物生长，每年都会造成严重的作物减产。与干旱关联的土壤盐碱化也是严重影响作物健康和农业生产的另一非生物胁迫因素。传统育种方式为培育具有干旱和盐碱耐受性的高产作物品种做出巨大贡献，但往往存在程序繁琐、耗时等问题。最近，基因编辑技术，尤其是基于CRISPR的基因编辑工具，已经被有效地应用于植物应对干旱和盐碱环境的研究。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2022.100417

2022年8月3日，韩国庆尚大学植物分子生物学和生物技术研究中心Jae-Yean Kim课题组在Plant Communications 在线发表了题为Engineering drought and salinity tolerance traits in crops through CRISPR-mediated genome editing: Targets, tools, challenges, and perspectives的综述文章，讨论了植物在形态学水平、生理学水平和分子水平上对干旱和盐胁迫的响应，重点介绍了基于CRISPR的基因编辑工具在相关领域的研究进展，总结了它们在植物抗干旱和盐碱胁迫研究中的作用和挑战。

植物对干旱胁迫的响应

当植物感受到干旱胁迫时，其反应可以分为4个主要方面，即躲避（avoidance），耐受（tolerance），逃避（escape）和恢复（recovery）。

借助非直接手段，如筛选可能的感受器突变体库，人们建立了一些干旱感受模型。例如在拟南芥中用此方法发现了第一个可能的渗透胁迫感受器OASA1，这是一个可以在高渗条件下形成Ca2+通道的质膜蛋白。

干旱躲避是在缺水条件下植物采取的一种保水策略，可以通过气孔调节，限制营养生长，蜡质积累，强化根系，减少水分使用等方式实现。

干旱逃避则是指植物通过缩短生命周期或生长期应对水分缺乏。开花期是该策略理想的适应性特征。在农业生产中，农民更喜欢寿命短的植物品种，以避免气候干旱对作物产量造成影响。

植物对盐胁迫的响应

植物细胞中过量盐分积累会造成盐胁迫，阻碍植物生长和发育。植物对盐胁迫反应的关键在于感知过量盐分，并通过早期Ca2+和ROS信号传递激活多种逆境响应基因以避免细胞损伤，以及信号分子在不同组织中的长距离运输（图2）等。

CRISPR工具在植物抗逆研究中的应用

作者首先总结了数种作用在不同水平的基于CRISPR的基因编辑工具（图3）。基于植物基因组中编辑对象的类型，作者将CRISPR编辑工具在植物抗逆研究中的应用分为3类：即对结构基因，调控基因，以及二者的顺式调控元件的编辑。

利用CRISPR工具探索植物对干旱胁迫的反应

鉴于植物干旱反应涉及多水平、多基因调节，本文分别以转录因子、多倍体植物基因组、表观调控机制、调控元件、长链非编码小RNA、ABA信号组分等作为切入点研究CRISPR工具在帮助我们解析植物对干旱胁迫响应中的应用。

此外作者还讨论了如何利用CRISPR工具探索植物对盐胁迫等其他多种逆境胁迫的反应。

整合CRISPR工具与现代育种方法

研究人员解析植物逆境响应途径的目的是培育抗逆品种，找到植物应对干旱/盐胁迫的基因调控元件是其中一个巨大挑战。在不断的选择育种过程中，部分栽培种已经丧失了数量性状的遗传多样性，但野生种中这种多样性仍然存在。借助CRISPR工具，人们可以方便验证基因与性状的相关性，从而保护数量性状的遗传多样性。此外，对整个基因家族的靶向诱变还可以实现对所有成员的功能鉴定，尤其是已知成员在植物抗逆中起重要作用的大型基因家族。利用高通量技术，还可以创建基因组水平的突变体库。这都有助于寻找植物抗逆的调控基因。因此，将现代育种方法与CRISPR工具结合起来是一种有效的可以加快育种进程的策略。

最后，作者讨论了未来能够用于工程化设计抗干旱和盐碱作物的多种方法，以及CRSIPR工具在其中的作用与挑战。作者认为，CRISPR工具未来会成为帮助植物生物学家工程化设计抗逆作物品种的宝贵资源。

图文来源：Mol Plant植物科学公众号

转自：植物生物技术Pbj

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