我院杂草防控实验室联合国内多家单位，成功地在水稻基因组上创制了倒位、重复等结构变异，分别大幅提高了两个目标基因的表达量，培育出新的抗除草剂性状。这种基因“敲高”策略有望成为基因编辑技术在动植物育种上应用的新领域。相关成果发表在Nature Plants上。

以CRISPR/Cas9为代表的基因编辑技术能够在基因组上产生精准突变，为动植物育种提供了革命性工具。由于基因编辑的最终产品不含外源基因，并且也可以通过传统诱变或自然突变获得，因此基因编辑作物在很多国家被视为普通品种。鉴于通过提升内源基因的表达量即可改良作物性状，基因敲高是基因编辑的主要应用场景之一。目前，基因敲高的通用技术路线是在目标基因附近插入调控元件，例如强启动子、增强子等，从而提高目标基因的表达水平。但是，由于插入整合了人工DNA，在推广应用方面可能会面临严格的监管。显然，如果能够在不插入人工DNA的前提下实现上调基因表达，将在推广应用方面更具优势，但是，传统观点认为该技术路线很难实现。

前期研究表明，Cas9同时在一个基因的不同位置切割时，会造成删除、倒位、重复等基因组结构变异。研究团队突然意识到：只要在所要上调表达的目标基因附近找到高表达基因并选择恰当的位点切割，就能够创造出特定的结构变异，将高表达基因的启动子与目标基因相连接，从而大幅“敲高”目标基因的表达。据此，研究团队根据水稻转录组信息，分别在PPO1和HPPD附近找到了高表达基因CP12和Ubiquitin2，构建了双靶点CRISPR载体对水稻愈伤进行了大规模转化，成功地在水稻植株中创制了预期的基因组结构变异。通过CP12基因的启动子驱动PPO1基因的表达，Ubiquitin2基因的启动子驱动HPPD基因的表达，大幅“敲高”了水稻内源PPO1和HPPD基因，使水稻植株表现出预期的抗除草剂性状。

本研究进一步深化了对基因编辑工具的认知和理解。长期以来，Cas9一直被作为基因敲除工具，而点突变及上调基因表达通常需要插入人工DNA模板，这是对基因编辑工具的传统认知。之前，该团队开发了循环打靶碱基编辑策略，通过双靶点的“循环打靶”设计将Cas9变成了全功能的碱基编辑器。此次研究中，该团队设计了能够上调基因表达的倒位、重复等基因组结构变异，成功实现了对目标基因的敲高。因此，无需人工DNA模板，Cas9不仅能够敲除基因，还可以创制点突变和敲高基因，是名副其实的全功能基因及基因组编辑工具。基因敲高有望成为基因编辑技术在动植物育种上应用的新领域。

我校植物保护学院2021届硕士毕业生芦钰为本文的共同第一作者，植保学院姜临建副教授、青岛清原化合物有限公司李华荣博士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心朱健康教授和贵州大学宋宝安教授为本文的共同通讯作者。本研究得到了清原化合物有限公司和国家自然科学基金的资助。

杂草防控实验室以“解除草之多艰”为己任，致力于利用基因编辑技术创制作物抗除草剂性状，为杂草防控提供“看得见，摸得着”的解决方案。

                                            责任编辑 谭爽