CRISPR/Cas 系统具有操作简单、效率高等优势,为植物功能基因研究和作物遗传改良提供了重要支撑。介绍了CRISPR/Cas植物基因组编辑技术的研究进展,并对CRISPR/Cas系统及其衍生技术进行了详细比较;结合案例综述了CRISPR/Cas9基因编辑技术在玉米产量、品质、抗逆性改良,以及雄性不育系创制和单倍体诱导等方面的应用;同时针对CRISPR/Cas系统未来需要迫切解决的一些问题进行了分析和展望。
玉米是世界上种植面积最大的粮食作物,为了提高玉米产量和满足人类需求,转基因育种已经成为改良玉米性状的有效手段。自1996年美国种植商业化转基因玉米以来,利用玉米遗传转化技术开发商业化转基因玉米已取得巨大成功。综述了玉米遗传转化体系优化的重要步骤,系统总结了已开发的商业化转基因玉米的种类,并对玉米遗传转化未来发展方向进行了展望。
欧美国家作为作物基因编辑技术的发源地,逐步建立和完善了从基础研究到技术开发服务再到育种应用等完整的产业技术链布局,形成了配套的风险管理体系。全面总结了全球作物基因编辑监管的最新进展和趋势,提出中国完善基因编辑技术监管框架的对策建议,以期尽快缩小基因编辑技术进步与监管政策体系的差距。
雌穗是玉米重要的生殖器官,雌穗发育决定成熟果穗大小及单穗粒重,进而直接影响玉米产量。雌穗性状主要包括穗长、穗粗、穗行数、行粒数、穗重、单穗粒重等,均为多基因控制的数量遗传性状,且其遗传结构各不相同。解析雌穗性状的遗传基础,优化雌穗结构,是玉米增产的重要途径。前人通过数量性状位点(quantitative trait locus mapping,QTL)定位和全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)等方法,已经鉴定出较多雌穗性状相关的遗传位点,但是目前已鉴定功能的基因较少,所建立的遗传位点一致性图谱并不完整,因此难以全面揭示雌穗性状遗传结构。通过综合前人雌穗性状遗传定位进展,现将已鉴定QTL位点和显著关联SNP整合至玉米B73参考基因组V4版本,并鉴定出雌穗性状定位热点区间,对深入解析雌穗性状遗传结构、指导雌穗性状基因克隆和理解雌穗发育分子机制均具有重要意义。
玉米是世界上种植面积最大、总产量最高的粮食作物,其籽粒重量的70%来自于淀粉。淀粉不仅是人类及其他动物的主要能量来源,同时也是化工等行业的重要原料。利用拟南芥、水稻等模式植物,淀粉合成相关基因克隆与功能研究已取得较多进展。近年来,随着玉米淀粉含量相关遗传学研究的深入开展,通过数量性状位点(quantitative trait locus mapping,QTL)定位、全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)及各种组学分析方法,发现了较多新的与淀粉含量相关的遗传位点及候选基因,但是尚缺乏归纳总结。综述了玉米籽粒淀粉合成与调控研究进展,对玉米籽粒淀粉含量相关的QTL和基因进行汇总和分析,通过构建一致性物理图谱,提炼玉米籽粒淀粉含量遗传定位热点区间,这为进一步解析玉米籽粒淀粉合成与代谢相关基因的功能提供参考,并为分子标记辅助育种提供遗传资源。
株高和穗位高是玉米重要育种性状,直接影响植株的养分利用效率及抗倒伏性,进而影响玉米产量。玉米株高和穗位高属于典型数量性状,目前通过数量性状位点(quantitative trait loci mapping,QTL)定位和全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)等方法已挖掘到较多相关遗传位点,通过QTL精细定位及利用突变体克隆了一些调控株高和穗位高关键基因。但是由于各研究组所利用的群体类型和大小、标记类型和密度以及统计方法不同,所鉴定QTL差异较大,单个研究难以揭示玉米株高和穗位高遗传结构。早期QTL定位的结果多以遗传距离来展示,不同时期GWAS研究所使用参考基因组版本不同,这进一步增加了借鉴和利用前人研究结果的难度。首次将目前已鉴定株高和穗位高遗传定位信息统一锚定至玉米自交系B73参考基因组V4版本,构建了株高和穗位高性状定位的一致性图谱,并鉴定出可被多个独立研究定位的热点区间。进一步对已克隆玉米株高和穗位高调控基因进行总结与分类,揭示株高和穗位高性状调控机制,对深度解析株高和穗位高遗传结构、指导基因克隆和利用分子标记辅助选择优化玉米株高和穗位高性状均具有重要意义。
玉米产量取决于植株捕获光能和固定CO2合成有机化合物的效率。叶夹角是株型重要性状之一,较小叶夹角有利于提高玉米植株光合作用效率和种植密度,因而有利于提高玉米产量。研究表明玉米叶夹角为多基因控制的复杂数量性状,其遗传力较高,主要受基因的加性效应调控。目前,利用数量性状位点(quantitative trait loci, QTL)定位和全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)等方法已鉴定数百个玉米叶夹角相关QTL;结合突变体分析等方法,已克隆数十个调控叶夹角关键基因,这为了解玉米叶夹角遗传机制提供了重要参考。由于前人研究所采用群体、分析方法及参考基因组版本不同,各研究之间所鉴定QTL差异较大,因此无法客观揭示叶夹角性状的遗传规律。为此,通过总结前人所定位叶夹角相关QTL和单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)位点并构建一致性图谱,鉴定出叶夹角性状定位热点区间,并对调控叶夹角的已知基因进行功能分类。这不仅为了解玉米叶夹角的遗传结构、推动叶夹角相关重要基因克隆提供数据支撑,也对进一步开发叶夹角相关分子标记,指导玉米分子育种和提高玉米产量提供有益指导。
玉米为雌雄同株异花植物,其雄穗着生于植株顶部,雌穗腋生。雄穗一方面需产生足量花粉以保证雌穗授粉结实,另一方面由于对下部叶片的遮蔽作用和自身营养需求,其生长发育会同时影响叶片光合作用效率和能量分配,因此优化雄穗结构是提高玉米产量的重要措施之一。玉米雄穗性状包括雄穗分枝数、雄穗分枝长度、雄穗主轴长度、雄穗分枝总长度、雄穗分枝角度等,均为多基因控制的数量性状。自20世纪90年代,研究者开始利用数量性状位点(quantitative trait locus,QTL)定位方法解析玉米雄穗性状遗传结构;随着玉米自交系B73等参考基因组释放,以及DNA微阵列、基因组重测序等高通量基因分型技术的日益成熟,全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)成为数量性状遗传研究的主流方法,目前已鉴定出大量玉米雄穗性状遗传位点。通过总结雄穗性状遗传定位研究结果,构建一致性图谱并挖掘定位热点区间,有助于进一步了解雄穗性状遗传结构特征及指导雄穗性状候选基因克隆。此外,通过对调控雄穗发育的已知基因进行功能分类,可为解析玉米雄穗发育的遗传网络和调控通路提供理论支撑。
玉米是我国主要农作物之一,其产量占全国谷物总产量三分之一左右,在国民生活中发挥了重要作用。玉米生长过程中受多种病害侵扰,其中穗腐病是一种由真菌导致的常见病害,目前已鉴定出40余种可诱发玉米穗腐病的病原菌。穗腐病不仅可造成玉米产量损失也导致籽粒品质严重下降,病原微生物所产生次生毒素更是危及人畜安全。目前穗腐病防治以化学方法为主,但是因此所造成的种植成本增加和环境污染问题日益突出,选育抗性品种成为防控玉米穗腐病最经济和安全有效的方法。玉米穗腐病抗性属于典型数量性状,国内外已有多个研究组通过建立玉米穗腐病抗性研究体系,开展玉米群体大规模穗腐病抗性鉴定工作,并筛选出一批抗病材料,这为玉米穗腐病抗性遗传改良奠定了材料基础。利用数量性状位点(quantitative trait locus, QTL)定位和全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)等方法在玉米 1~10号染色体均检测到显著相关位点。尽管如此,玉米穗腐病抗性研究成果应用于生产的实例较少,生产上仍然缺乏综合性状优良且高抗穗腐病的玉米品种。这一方面是由于玉米穗腐病抗性遗传机制十分复杂、抗性基因克隆工作进展缓慢;另一方面为缺乏对玉米穗腐病抗性遗传研究进展进行系统总结,未有效开发分子标记用于分子育种所致。通过综述玉米穗腐病抗性遗传研究进展,汇总已定位QTL位点和显著关联SNP,构建一致性图谱和鉴定出定位热点区间,并进一步对比分析定位区间候选基因特征和转录组、代谢组研究进展,对促进玉米穗腐病抗性机制研究和玉米抗性育种均具有重要意义。
随着合成生物学、基因编辑等典型两用性新兴生物技术的发展,生物安全作为一个具有显著交叉性的研究领域引起了国际各界的广泛关注。利用Web of Science数据库的论文数据,基于期刊学科类别分析了生物安全研究的学科交叉现状和时序演化,并采用富集分析方法研究了不同国家的学科交叉倾向差异。结果表明,20世纪以来,生物安全研究与其他学科的交叉融合日益广泛,动植物科学、环境和生态学、社会科学、微生物学、农业科学是其交叉融合最多的学科领域。不同国家生物安全研究的学科交融情况有所差异,欧美主要国家的学科交叉情况对我国有很好的借鉴之处。以期为生物安全特定研究领域的学科交叉研究提供一种新的方法探索,并为强化我国生物安全研究领域学科交叉和探索新的科研方向提供参考。
2019年底暴发的新冠肺炎(COVID-19)疫情席卷全球,严重威胁人类的健康,已经成为需要世界各国共同努力克服的全球重大卫生安全挑战。面对疫情,因各国的文化、地理位置、社会制度和经济发展水平不同,其医疗系统在疫情防控中发挥的作用也不同。以粤港澳大湾区的典型城市(广州市、深圳市、珠海市、香港特别行政区和澳门特别行政区)为代表,通过系统梳理和量化分析各医疗系统在公共卫生突发事件中的表现和效用,明晰医疗卫生机构、医护人员、医疗物资等的职能,厘清各城市防疫医疗力量在重大传染性疫情防控中的优势和短板。结果表明,内地三市与港澳相比,拥有的防疫医疗基础雄厚;澳门和内地三市在疫情早期保持高度一致,联合推进防疫攻关的机制,在应对疫情有效性方面表现不俗,而香港由于受“国际航运中心”的定位限制,以及社会撕裂余波的影响导致难以快速全面封锁,应对疫情的有效性相对较差。展望未来,粤港澳大湾区应互通互补、资源共享,共同提升整个大湾区的公共卫生事件应急能力。
生物技术领域技术创新与成果转化类基地平台是开展生物技术关键技术研究,推动应用示范、成果转化及产业化的重要载体。通过对近年来我国生物技术领域技术创新与成果转化类基地平台发展现状进行梳理分析,探讨基地平台在促进生物技术创新与转化中的作用,总结优势和不足,为其今后的发展建设提供参考和借鉴。
