CRISPR编辑水稻作物: 减轻撒哈拉以南非洲水稻病害的影响

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研究人员利用 CRISPR 技术在一株亚洲水稻中培养抗性。图片来源: golero/Getty Images

水稻是撒哈拉以南非洲地区最重要的作物之一。然而,它特别容易受到疾病的威胁。一项新研究发现,CRISPR 技术可用于编辑某些水稻品系的基因,从而培养抗病能力。

水稻是撒哈拉以南非洲地区的重要主食作物,当地生产的水稻有 60% 以上被食用。然而,水稻黄斑病病毒(RYMV)引起的一种疾病有可能使非洲的水稻作物绝收。这种病害通常被认为是影响灌溉和低地生态的最主要水稻病害,自发现以来,几乎所有非洲水稻生产国都发现了这种病害。

在这项发表在《植物生物技术杂志》上的研究中,研究人员的目标是开发对这种疾病的抗性。

病毒的代价

非洲的许多水稻生产者几乎没有自己的一公顷土地。在这种环境下,水稻产量经常因病害损失 10%到 100%,给粮食安全带来压力。

“RYMV 对粮食安全和小农的贫困都有影响。这种影响每年不同,取决于各种因素,很难精确量化。” 研究人员之一劳伦斯-阿尔巴(Laurence Albar)告诉《食品导报》:“然而,非洲小农经常把这种疾病描述为水稻的主要病害之一,考虑到水稻在非洲和世界的重要性,一些作者把RYMV列入十大经济重要植物病毒。”

发展抗性

RYMV 目前有三种抗性基因,只要其中一种基因发生突变,水稻品系就能产生抗性。

虽然一种驯化的水稻品种 Oryza glaberrima(又称非洲稻)在某些情况下产生了抗性,但它产量低,并没有得到广泛应用。然而,产量更高、应用更广泛的 Oryza sativa 的抗药性却极低。O.glaberrima几乎拥有全部抗性基因,而产量更高的O.sativa却没有。

阿尔巴告诉我们:“在最广泛种植的水稻品种(亚洲水稻)中,对 RYMV 具有高抗性(无症状或不影响产量)的水稻品种寥寥无几: 两个源自东非的传统品种,即 Gigante 和 Bekarosake,以及 3-4 个由这些品种衍生而来、由西非国家水稻育种家在 2000 年代开发的额外品系。”

阿尔巴告诉我们:“在另一个栽培稻种(非洲稻)的几个品种中也观察到了很强的抗性,这种稻种现在很少种植。这些抗性品种的产量并不高,而且它们的特性(对其他病害的抗性、大小、周期长短等)也不是许多农民所追求的。通过传统育种方法将它们的抗性转移到适应性更好的品种上既繁琐又耗时。这就是基因组编辑大有可为的原因。”

我们面临的挑战是在产量更高的水稻品种中培育抗性。为此,研究人员利用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术编辑了亚洲粳稻品种 Kitaake 中的一个抗性基因 OsCPR5.1,在该基因内产生突变,从而在不牺牲产量的情况下开发出水稻的抗性。

“根据对我们开发的品系(以及携带类似突变的非洲水稻品种)进行的温室实验,我们没有观察到对植物生长有任何负面影响。不过,这些结果还需要在相关农业生态系统的田间试验中得到证实,然后才能考虑在大面积种植工程品种,”阿尔巴告诉我们。

现在的关键挑战是测试更多的非洲水稻品种,看它们是否能产生抗性。此外,还要为非洲稻农提供经过编辑的抗性水稻品种。

“下一阶段,我们将对适应非洲国家小农种植的高产品种采用同样的方法。如果证实没有负面影响,就可以将这些品种转让给小农,让他们大规模种植,以避免 RYMV 病害和相关的产量损失,从而帮助人们摆脱贫困和粮食不安全状况。”

拯救水稻作物

研究人员之一 Wolf B. Frommer 是 “健康作物”(Healthy Crops)项目的调查员,该项目是一个国际研究联盟,其总体目标是帮助非洲和亚洲的小农提高产量并避免病害。

该项目最突出的重点是 RYMV 和另一种破坏性特别大的水稻病害–细菌性枯萎病(BB)。

Frommer 说:“我们现在还编辑了抗枯萎病水稻,这与亚洲菌株无意中引入东非造成的大爆发尤其相关,它造成了重大损失并迅速蔓延。”

“我们还为坦桑尼亚和东非准备了抗病品系,这些品系没有使用编辑技术,也许不如编辑过的品系好,但由于监管情况,这是可能的最佳解决方案。”

Frommer认为,该项目的最大成功是为印度和非洲开发了抗BB病毒的品系。

资料来源:

  • ‘Rice Yellow Mottle Virus resistance by genome editing of the Oryza sativa L. ssp. japonica nucleoporin gene OsCPR5.1 but not OsCPR5.2’ – Plant Biotechnology Journal
  • Published on: 20 December 2023
  • Doi: https://doi.org/10.1111/pbi.14266
  • Authors: Y. Arra, F. Auguy, M. Stiebner, S. Chéron, M. M. Wudick, M. Miras, V. Schepler-Luu, S. Köhler, S. Cunnac, W. B. Frommer, L. Albar
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