大麥（Hordeum vulgare L.）是全球第四大谷物作物，廣泛應(yīng)用于動(dòng)物飼料、啤酒釀造以及食品和藥品的原料。在青藏高原地區(qū)，裸大麥青稞更是藏區(qū)人員的重要口糧。然而，在高水肥條件下，由于大麥莖稈機(jī)械組織不夠發(fā)達(dá)，纖維化程度較低，容易出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象，這給大麥的生產(chǎn)帶來了巨大挑戰(zhàn)。

Gγ亞基在多種生物過程中發(fā)揮著重要作用，但其在大麥中的具體功能尚未完全明確。為了深入研究這一問題，中國科學(xué)院西北高原生物研究所高原作物種質(zhì)資源創(chuàng)新與利用研究團(tuán)隊(duì)利用CRISPR/Cas9技術(shù)敲除大麥品種Golden Promise中的HvGS3基因，并通過詳細(xì)的表型分析比較了突變體hvgs3與野生型之間的株高、穗長(zhǎng)和千粒重等農(nóng)藝性狀。結(jié)果顯示，突變體hvgs3的株高比野生型降低了37.8%至43.1%，同時(shí)倒二節(jié)的抗倒伏指數(shù)提高了76.6%。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，突變體hvgs3的莖節(jié)細(xì)胞長(zhǎng)度顯著縮短，導(dǎo)致株高降低。突變體hvgs3的木質(zhì)素合成通路被激活，木質(zhì)素含量比野生型增加了22%，基部第二節(jié)間的維管束數(shù)量、機(jī)械組織厚度均高于野生型，從而增強(qiáng)了莖稈的機(jī)械強(qiáng)度。通過CRISPR/Cas9技術(shù)成功敲除HvGS3基因，我們創(chuàng)制了一種具有矮化和抗倒伏特性的大麥新種質(zhì)資源，株高的降低和莖稈強(qiáng)度的增加共同提升了其抗倒伏性能。該研究不僅揭示了大麥HvGS3基因的功能，還為培育抗倒伏、高產(chǎn)的大麥品種提供了寶貴的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

研究結(jié)果以?The knockout of Gγ subunit HvGS3 by CRISPR/Cas9 gene editing improves the lodging resistance of barley through dwarfng and stem strengthening?為題發(fā)表在?Theoretical and Applied Genetics（中國科學(xué)院1區(qū)Top期刊 IF 4.4）。西北高原所和青海大學(xué)聯(lián)培博士研究生姜燕燕為第一作者，劉寶龍研究員和李云副研究員為共同通訊作者。該研究得到了青海省科學(xué)技術(shù)廳（2023-NK-A3），中國科學(xué)院國際伙伴計(jì)劃全球共同挑戰(zhàn)項(xiàng)目（077GJHZ2023028GC），青海省作物分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（2023-1-1）項(xiàng)目的支持。研究工作依托中國科學(xué)院高原生物適應(yīng)與進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和青海省作物分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

論文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40014102/

圖?hvgs3編輯系的創(chuàng)制和表型分析

注：A：HvGS3的新型等位變異；B：hvgs3編輯系植株的表型；C：hvgs3編輯系的株高和千粒重；D：hvgs3編輯系的田間抗倒伏表型和倒二節(jié)的抗倒伏指數(shù)（CLRL）；E：hvgs3編輯系莖稈的細(xì)胞顯微結(jié)果和細(xì)胞長(zhǎng)度。