精准育种时代来临！拜耳开启大豆、玉米基因型灵活编辑时代——TREDMIL

近日，美国密苏里拜耳作物科学科研总部研究团队陈余荣博士和Edward Cargill 博士为共同通讯作者在aBIOTECH发表了题为″Simultaneous Genetic Transformation and Genome Editing of Mixed Lines in Soybean (Glycine max) and Maize (Zea mays)″的研究论文，报道了一种混合品系转化和编辑的方法，能对大豆和玉米中的许多优良基因型同时进行转化和编辑。

该研究报告了一种在种子胚外植体生产之前通过混合品系（基因型）同时转化和编辑多个基因型的方法，称为混合品系转化和编辑(Transformation and Editing of Mixed lines, TREDMIL)。在这种方法中，许多品系在生产种子胚外植体之前进行混合，然后利用基因组编辑技术，对混合品系进行转化，通过共表达大豆Dt1特异性或玉米Bm3特异性CRISPR RNAs（crRNAs）和核酸酶Cas12a，在目标基因区域产生插入缺失。再生后，通过基因型鉴定解码品系身份，并通过扩增子测序验证编辑结果。

▲ Fig.1  Simultaneous editing of multiple elite soybean and maize with no obvious bias

通过对再生事件的基因型鉴定，作者发现 104 个优良大豆基因型中同时转化的占97%（101个），并且恢复的转化子分布在从 00 到VII的不同成熟群(MG)中。同样，在40个优良玉米自交系中，有55%(22个)同时转化，并且这些转化子分布在从92-117的不同的相对成熟度(RM)。利用扩增子测序，在所有的101个大豆转化品系中，在目标靶点 Dt1 的编辑达到 94%，超过 80% 的转化大豆品系产生了该品系 90% 以上的编辑事件。同样，在玉米转化品系中，目标靶点 Bm3 的编辑达到 69%，涉及 22 个转化雌性自交系中的 17 个。这些结果表明，可以利用种子胚胎转化系统进行高效、基因型灵活的转化和基因组编辑。

▲ Fig.2  Distribution of distinct edits across maize and soybean

延伸

CRISPR/Cas基因组编辑技术因其强大的功能已成为作物育种的有力工具，为农业领域带来了革命性的变化。这项技术不仅能够实现基因的精确修改，还能结合基因型灵活的植物转化方法，在理论上于一个物种不同种质的任意位置创造目标变异。然而，尽管基因组编辑技术本身发展迅速，植物转化技术的发展相对落后，这在一定程度上限制了基因编辑技术在作物育种中的广泛应用。

植物转化技术的发展历程

自20世纪80年代中期科学家首次成功进行植物转化以来，该技术已经取得了显著的进步。从最初的悬浮培养到愈伤组织培养，再到未成熟胚的演变，植物转化技术不断优化。近年来，通过使用发育调节因子如BBM、WUS，以及生长调节因子GRFs和GRF-相互作用因子GIF、GRF-GIF嵌合体等，科学家们已经能够促进体细胞胚胎发生，改善一些单子叶物种和双子叶物种的再生能力，使难转化基因型的转化更加成功。尽管如此，这些方法仍存在一定的局限性，需要进一步的创新和改进。

TREDMIL技术的创新与突破

美国密苏里拜耳作物科学科研总部的研究团队在aBIOTECH发表的研究论文中，介绍了一种创新的混合品系转化和编辑(TREDMIL)方法。这种方法在种子胚外植体生产之前，将多个不同基因型的植物混合在一起进行转化和编辑。通过共表达大豆Dt1特异性或玉米Bm3特异性CRISPR RNAs（crRNAs）和核酸酶Cas12a，在目标基因区域产生插入缺失。再生后，通过基因型鉴定解码品系身份，并通过扩增子测序验证编辑结果。

TREDMIL技术的成功实施，展示了其在作物育种中的多方面优势。首先，它能够同时对多个基因型进行转化和编辑，大大提高了育种的效率。其次，该方法适用于各种不同的基因型，包括那些难以转化的基因型。此外，通过基因型鉴定和扩增子测序，可以确保每个品系都能被准确识别，并验证编辑结果的准确性。

TREDMIL技术的应用成果

通过对再生事件的基因型鉴定，研究人员发现，在104个优良大豆基因型中，有97%（101个）同时转化，并且在40个优良玉米自交系中，有55%（22个）同时转化。这些转化子分布在不同的成熟群和相对成熟度中，显示出基因型灵活性。在所有101个大豆转化品系中，目标靶点Dt1的编辑达到94%，而在玉米转化品系中，目标靶点Bm3的编辑达到69%。这些结果表明，TREDMIL技术能够实现高效、基因型灵活的转化和基因组编辑。

编辑特征的多样性与育种意义

进一步的研究表明，在不同种质资源中产生的大量编辑谱可以促进基因组发现。例如，在大豆的98种不同基因型中，有45%的编辑事件检测到Dt-1389位点的7个碱基缺失，而在玉米中，有65%的编辑事件在Bm3-2070位点存在明显的3个碱基缺失。这种编辑特征的多样性为育种者提供了宝贵的信息，有助于在育种计划的早期评估种质-编辑事件相互作用，从而做出更明智的育种决策。

精准育种的未来展望

TREDMIL技术的应用，预示着精准育种时代的来临。通过这种方法，育种者可以加速新品种的开发，应对全球粮食安全和环境挑战，提高作物产量和品质。随着技术的不断进步和优化，我们有理由相信，未来的作物育种将更加高效、精准，能够更好地满足人类对健康、可持续食品的需求。

结论

CRISPR/Cas基因组编辑技术，尤其是TREDMIL方法的提出，为作物育种带来了革命性的变化。它不仅提高了育种的效率和精确性，还为解决全球粮食安全和环境挑战提供了新的工具。随着技术的不断进步和优化，我们期待在未来的作物育种中看到更多创新和突破，以实现更高效、更精准的作物改良，满足人类对健康、可持续食品的不断增长的需求。

来源：Valentine, M., Butruille, D., Achard, F. et al. Simultaneous genetic transformation and genome editing of mixed lines in soybean (Glycine max) and maize (Zea mays). aBIOTECH 5, 169–183 (2024). https://doi.org/10.1007/s42994-024-00173-5