東北地理所在利用基因編輯調控水稻抽穗期方面取得新進展
水稻抽穗期是決定水稻種植的區域和季節適應性的重要農藝性狀。通過對抽穗期的調節，可以擴大優良品種的種植面積。調控水稻抽穗期基因關系網絡復雜，目前認為在水稻中存在2條相對保守的調控途徑（Hd1-Hd3a/RFT1）和（Ghd7-Ehd1-Hd3a/RFT1）。Ehd1通過調控成花素基因Hd3a和RFT1的表達來控制水稻開花，Ehd1作為開花途徑的核心因子，受多種因子調控，其中DTH3、OsMADS51、OsMADS56、Ehd2和Ehd4等正調控Ehd1，而Hd2、Hd4、Hd5、OsCOL4、OsCOL10和OsLFL1等通過抑制Ehd1來發揮功能。
CRISPR/Cas9基因編輯技術作為高效創造變異的手段，已經實現各種農藝性狀的精準改良。東北地理所水稻分子育種學科組前期研究中通過對Hd2、Hd4和Hd5等開花抑制基因的基因編輯，高效的縮短水稻抽穗期。但是如何高效的延遲品種的抽穗期，還值得進一步探索。理論上，可以通過減弱開花促進因子或者增強開花抑制因子的功能來達到。但實踐上，直接對Ehd1、Hd3a和RFT1等開花促進因子進行基因編輯，會導致水稻極度晚花甚至不開花的現象，因此，該團隊擬采取適當增強開花抑制因子作用的手段，來達到適度延遲水稻開花的目的。
為了利用基因編輯手段提高靶基因的表達量，該團隊擬對基因的上游開放閱讀框架(open reading frames, uORFs)進行編輯。研究表明，uORFs可以抑制開放閱讀框架(primary ORFs, pORFs)的翻譯，通過編輯和突變這些uORFs可以達到提高pORFs的蛋白水平的目的。本實驗室前期研究發現Hd2是控制東北水稻開花最重要的抑制子之一，序列分析發現Hd2在5'UTR區域存在3個uORF，因此，該研究團隊針對3個uORF分別設計3個靶位點進行基因編輯，獲得了多種不同編輯類型，抽穗期統計結果顯示，突變體出現不同程度晚花（4.6天-11.2天），其中第一個uORF突變的晚花效果最明顯。突變體中，抽穗期基因Ehd1、Hd3a和RFT1的表達量都低于野生型，與其晚花表型一致。進一步將Hd2 uORF與4種突變類型uorf插入到35S啟動子與LUC報告基因之間，瞬時轉化原生質體，發現Hd2 uORF的突變與否并不影響報告基因LUC的轉錄水平，但是Hd2 uORF的插入顯著降低了LUC的熒光信號，而uorf的突變可以不同程度的恢復LUC的蛋白量，證實了Hd2 uORF的突變可以通過提高Hd2 pORF的翻譯達到增強Hd2功能的效果，從而實現不同程度延遲開花的目的，這表明對于Hd2 uORF的編輯突變可以作為未來微效改變水稻開花性狀的有效靶點。
東北地理所水稻分子育種學科組幾年來利用基因編輯技術改良水稻熟期、香味、直鏈淀粉含量及粒型等多個性狀，在Plant Biotechnology Journal, Journal of Genetics and Genomics, Rice Science等期刊發表多篇文章，本研究是該課題組在利用基因編輯技術改良水稻重要農藝性狀方面的重要研究進展。
該項研究以“Fine-tuning Flowering Time via Genome Editing of Upstream Open Reading Frames of Heading Date 2 in Rice”為題發表在Rice期刊 。東北林業大學客座研究生劉欣欣、東北農業大學劉化龍副教授和黑龍江大學客座研究生張元野為并列論文第一作者，李秀峰助理研究員和卜慶云研究員為論文通訊作者。相關研究得到了國家自然科學基金和黑龍江省基金的資助。
論文鏈接：
https://thericejournal.springeropen.com/articles/10.1186/s12284-021-00504-w
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