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專家簡(jiǎn)介

博士，助理研究員

　　廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物基因研究中心作物基因資源發(fā)掘與利用團(tuán)隊(duì)骨干成員，主要從事水稻抗病機(jī)理研究與基因編輯技術(shù)研發(fā)。近3年主持國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、廣州市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目6項(xiàng)；以第一或共同第一作者在《Nature Plants》《Journal of Integrative Plant Biology》《Science China Life Sciences》《Genes》《Analytical Biochemistry》《Scientific Reports》等期刊發(fā)表SCI論文6篇；以第一發(fā)明人獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利1件；獲廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

　　【作者及單位】薛 皦，朱慶鋒，陳 沛，馮彥釗，于 洋*（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物基因研究中心 / 廣東省農(nóng)作物種質(zhì)資源保存與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

　　【基金項(xiàng)目】廣東省自然科學(xué)基金（2021A1515110411）；廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院新興團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（202131TD）；廣州市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2024B03J1363）；廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物基因研究中心創(chuàng)新基金（202203）

　　.本文引用格式　　

　　薛皦, 朱慶鋒, 陳沛, 馮彥釗, 于洋. 植物染色體重排在作物遺傳改良中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué), 2024, 51(3): 1-13. DOI: 10.16768/j.issn.1004-874X.2024.03.001.

　　XUE Jiao, ZHU Qingfeng, CHEN Pei, FENG Yanzhao, YU Yang. Advances in the Application of Plant Chromosome Rearrangement in Crop Genetic Improvement[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2024, 51(3): 1-13.

　　摘要　　染色體重排是一種可能導(dǎo)致DNA片段丟失、重復(fù)、易位和倒位的機(jī)制，從而改變基因組結(jié)構(gòu)，為創(chuàng)造新的變異性狀提供可能。植物染色體重排事件的準(zhǔn)確鑒定有助于更深入地理解植物基因組的結(jié)構(gòu)、功能及它們?cè)谥参镅莼妥魑镉N中的作用。該文深入探討了植物染色體重排的基本概念，介紹了植物染色體重排的自然發(fā)生和人工誘導(dǎo)的技術(shù)方法，闡述了植物染色體重排的細(xì)胞生物學(xué)、分子遺傳學(xué)和高通量測(cè)序鑒定方法。同時(shí)，系統(tǒng)總結(jié)了植物染色體重排技術(shù)在作物遺傳育種中的應(yīng)用，結(jié)合具體實(shí)踐，著重強(qiáng)調(diào)了染色體重排技術(shù)在提高農(nóng)作物的遺傳多樣性、改良農(nóng)作物的重要性狀、增強(qiáng)農(nóng)作物的環(huán)境適應(yīng)性等方面極具優(yōu)越性。然而，目前染色體重排的發(fā)生概率較低，技術(shù)上仍存在挑戰(zhàn)，需要更多精準(zhǔn)的工具和策略來(lái)實(shí)現(xiàn)染色體片段的精準(zhǔn)定位和重排。通過(guò)全面了解染色體重排及其相關(guān)技術(shù)，研究人員和育種家可以更好地利用植物基因組，為全球糧食安全和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供創(chuàng)新解決方案。相關(guān)研究不僅為深入認(rèn)識(shí)植物基因組提供新途徑，也為未來(lái)創(chuàng)新作物育種奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過(guò)挖掘植物基因組的多樣性和可塑性，染色體重排技術(shù)有望為培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗的農(nóng)作物新品種提供更多可能性，對(duì)解決全球日益嚴(yán)峻的糧食安全和氣候適應(yīng)性問(wèn)題具有重要意義。

　　研究?jī)?nèi)容

　　0 引言

　　1 植物染色體重排的基本概念

　　2　植物染色體重排的發(fā)生機(jī)制和技術(shù)手段

　　2.1　染色體重排的發(fā)生機(jī)制

　　2.2　創(chuàng)制染色體重排的技術(shù)手段

　　3　植物染色體重排的鑒定方法

　　3.1　細(xì)胞生物學(xué)檢測(cè)方法

　　3.2　分子遺傳學(xué)檢測(cè)方法

　　3.3　高通量測(cè)序及生物信息學(xué)分析法

　　4　植物染色體重排在作物遺傳育種中的應(yīng)用

　　4.1　提高農(nóng)作物的遺傳多樣性

　　4.2　改良農(nóng)作物的重要性狀和環(huán)境適應(yīng)性

　　5　總結(jié)與展望

　　　　作物種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種是生命科學(xué)和農(nóng)學(xué)研究的重要內(nèi)容，也是國(guó)家戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性核心任務(wù)之一。近年來(lái)，作物育種面臨著遺傳基礎(chǔ)狹窄、種質(zhì)資源同質(zhì)化等日趨嚴(yán)峻的問(wèn)題，這不僅限制了優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)品種的高效培育，而且對(duì)作物病蟲(chóng)害抗性、環(huán)境適應(yīng)性和農(nóng)業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性帶來(lái)極大挑戰(zhàn)^[1]。農(nóng)作物性狀的遺傳穩(wěn)定性受到基因型和環(huán)境壓力的共同影響。維持遺傳多樣性是農(nóng)作物在不同環(huán)境壓力下適應(yīng)和生存的基礎(chǔ)，因此在染色體水平解析遺傳變異的形成與調(diào)控機(jī)制對(duì)作物的遺傳改良實(shí)踐至關(guān)重要。

　　染色體重排是指基因組中染色體的結(jié)構(gòu)重新組合，導(dǎo)致基因座在染色體上的位置發(fā)生變化。得益于近年來(lái)基因組學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和分子遺傳學(xué)的迅速發(fā)展，人們可以更深入地了解作物種質(zhì)資源中自然發(fā)生的染色體變異及其生物學(xué)功能。不僅如此，植物染色體重排技術(shù)作為一種重要的遺傳工程手段也備受關(guān)注，利用該技術(shù)可以人為主動(dòng)、高效精準(zhǔn)地控制植物細(xì)胞中的染色體結(jié)構(gòu)，加速作物的演化進(jìn)程，為優(yōu)良品種的選育提供多樣化的遺傳資源和可供利用的物質(zhì)基礎(chǔ)。染色體重排技術(shù)的應(yīng)用不僅有望提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，還可能改善作物的抗病性和環(huán)境適應(yīng)性，從而為全球糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。

　　染色體重排研究在動(dòng)植物中已得到廣泛報(bào)道，這一領(lǐng)域的深入研究不僅豐富了我們對(duì)生物遺傳學(xué)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也為作物遺傳改良和育種領(lǐng)域帶來(lái)新的機(jī)遇。然而，針對(duì)植物染色體重排在不同作物遺傳改良中的具體應(yīng)用，進(jìn)行系統(tǒng)分類和總結(jié)將有助于更全面地了解這一技術(shù)的現(xiàn)有研究進(jìn)展和發(fā)展方向。本文將深入探討植物染色體重排的基本概念、技術(shù)方法及其在作物遺傳育種中的應(yīng)用，同時(shí)展望該技術(shù)的應(yīng)用前景，為研究人員提供系統(tǒng)的理論支持和實(shí)踐參考。通過(guò)對(duì)植物染色體重排技術(shù)的深入了解，研究人員和育種家可以更好地認(rèn)識(shí)和利用植物的基因組，為解決全球糧食安全和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展等重大挑戰(zhàn)提供創(chuàng)新解決方案。

　　染色體重排是一種重要的基因組變異形式，通常發(fā)生于染色體斷裂或損傷的情況下。在重新連接過(guò)程中，染色體片段可能會(huì)以異常的方式連接起來(lái)，導(dǎo)致染色體結(jié)構(gòu)變異和重新組合。染色體重排包括插入（Insertion）、缺失（Deletion）、重復(fù)（Duplication）、拷貝數(shù)變異（Copy number variations，CNVs）、倒位（Inversion）和易位（Translocation）（圖 1），每種形式都可能對(duì)植物基因組產(chǎn)生不同程度的影響^[2-4]。其中，插入是指在染色體片段上加入新的DNA片段，可為單個(gè)或多個(gè)核苷酸，甚至是一大段核苷酸序列；缺失是指染色體上的某些DNA片段丟失或缺失，可能包括一個(gè)或多個(gè)基因，將導(dǎo)致染色體上的基因組結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；重復(fù)是指染色體上產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)與自身DNA片段相同區(qū)段（可以小到幾個(gè)堿基，也可以大到一個(gè)主要染色體區(qū)域）的一種變異，所有生物體、尤其是在植物基因組中會(huì)出現(xiàn)大量重復(fù)的現(xiàn)象；拷貝數(shù)變異是指特定DNA片段的拷貝數(shù)發(fā)生變化，這些結(jié)構(gòu)差異可能是通過(guò)重復(fù)、缺失或其他變化產(chǎn)生的，并可能影響DNA鏈的長(zhǎng)度，導(dǎo)致個(gè)體間基因拷貝數(shù)差異；倒位是指當(dāng)一個(gè)片段在一條染色體內(nèi)斷裂并以相反的方向重新連接時(shí)，染色體發(fā)生倒位，DNA可能會(huì)在這個(gè)過(guò)程中丟失，也可能不會(huì)丟失，但可導(dǎo)致基因的排列順序發(fā)生改變；易位是指當(dāng)一條染色體斷裂，染色體碎片重新附著在其他不同的染色體上時(shí)，發(fā)生遺傳學(xué)易位，易位可發(fā)生在染色體之間或染色體內(nèi)部，導(dǎo)致染色體上的特定基因位置發(fā)生改變^[5-8]。

　　2　植物染色體重排的發(fā)生機(jī)制和技術(shù)手段

　　2.1　染色體重排的發(fā)生機(jī)制

　　在植物中，自發(fā)性的染色體重排主要與物種形成、基因組演化及雜合體的遺傳隔離有關(guān)，可能導(dǎo)致雜交不育、著絲點(diǎn)變化、新的開(kāi)放閱讀框形成、基因破壞、染色體片段移除、表達(dá)譜改變等^[9-12]。植物自發(fā)性染色體重排通常被認(rèn)為是由遺傳漂變、環(huán)境壓力或者其他未知因素引起的。通過(guò)對(duì)亞洲栽培稻、非洲栽培稻等不同水稻品種進(jìn)行測(cè)序和構(gòu)建水稻泛基因組的研究表明，水稻種群中存在大量結(jié)構(gòu)變異和基因拷貝數(shù)變異，這些變異對(duì)調(diào)控水稻農(nóng)藝性狀、推動(dòng)水稻進(jìn)化與馴化有著至關(guān)重要的影響^[13]。

　　染色體內(nèi)或染色體間的變異可自然發(fā)生，并影響物種的形成和適應(yīng)性演化等過(guò)程。染色體重排可由不同的DNA修復(fù)機(jī)制介導(dǎo)，通常DNA雙鏈斷裂（Double-strand breaks，DSB）可以通過(guò)兩種主要途徑修復(fù)：非同源末端連接（Non-homologous end joining，NHEJ）和同源重組（Homologous recombination，HR），HR依賴于利用同源模板，而NHEJ則是將斷裂的DNA末端重新連接。如果DSB在修復(fù)時(shí)存在足夠多的同源性區(qū)域，則可能導(dǎo)致非等位基因同源重組（Nonallelic homologous recombination，NAHR），這種機(jī)制能夠在基因組中引起大量的重排事件，形成重復(fù)的染色體變異^[14]。例如，基因組重復(fù)區(qū)域發(fā)生DSB可能導(dǎo)致這些重復(fù)區(qū)域頻繁發(fā)生重排事件，增強(qiáng)了基因組的不穩(wěn)定性，增加了新的遺傳變異產(chǎn)生幾率。

　　2.2　創(chuàng)制染色體重排的技術(shù)手段

　　作物育種依賴減數(shù)分裂過(guò)程中同源染色體間的互換以產(chǎn)生新的等位基因組合。雜交可組合有利性狀、消除不利性狀^[15]。然而，由于自然進(jìn)程中交叉互換的頻率和分布受到嚴(yán)格限制且難以控制，染色體上的很多部分不參與遺傳交換。因此，理想的重組結(jié)果非常有限，連鎖阻力往往不可避免^[16]。通過(guò)現(xiàn)代生物技術(shù)誘導(dǎo)植物染色體重排不僅可以加快育種進(jìn)程，還可以為基因組研究和生物技術(shù)應(yīng)用提供重要支持，有助于促進(jìn)作物遺傳育種和生物技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。為更高效地操控染色體并創(chuàng)造染色體重排，近年來(lái)發(fā)展了多種誘導(dǎo)植物染色體重排的技術(shù)方法。     

　　2.2.1 傳統(tǒng)的雜交方法傳統(tǒng)的雜交方法是通過(guò)人為選擇和交配具有不同染色體結(jié)構(gòu)和基因型的植物，利用雜交后代的染色體重新組合引入新的遺傳變異。這種方法依賴于雜交過(guò)程中染色體的交換和重組，使得雜交后代產(chǎn)生新的染色體組合和遺傳變異。常見(jiàn)的方法如染色體片段代換系的構(gòu)建及應(yīng)用^[17-19]。

　　2.2.2 物理化學(xué)誘變法　物理化學(xué)誘變是通過(guò)利用物理因素（如輻射）或化學(xué)誘變劑（如甲基磺酸乙酯、EMS）來(lái)誘導(dǎo)植物基因組突變。這些突變包括染色體重排（如片段缺失、倒位、易位等），以及基因突變（如堿基替換、插入、缺失等）。電離輻射可導(dǎo)致染色體直接斷裂，也可產(chǎn)生DNA損傷，并在之后的復(fù)制、修復(fù)過(guò)程中引發(fā)變異。利用EMS可誘導(dǎo)小麥－華山新麥草染色體易位^[20]。用花粉輻射法可大量生產(chǎn)硬粒小麥- 簇毛麥二倍體的屬間染色體易位^[21]，為小麥育種創(chuàng)造了新的種質(zhì)資源。

　　2.2.3 轉(zhuǎn)座子誘導(dǎo)法　通過(guò)誘導(dǎo)轉(zhuǎn)座子可以促進(jìn)染色體片段的移動(dòng)和重排，產(chǎn)生新的遺傳變異和基因組結(jié)構(gòu)變化。在物種演化進(jìn)程中，轉(zhuǎn)座子的擴(kuò)增和重復(fù)在玉米^[22-23]、棉花^[24]、辣椒^[25]、擬南芥^[26]、水稻^[27]等多個(gè)物種的馴化和適應(yīng)性演化進(jìn)程中發(fā)揮了重要作用。此外，Ac/Ds轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)還與序列特異重組系統(tǒng)Cre/Lox聯(lián)合使用，進(jìn)行染色體結(jié)構(gòu)的靶向誘變，目前已在煙草、擬南芥等植物中誘導(dǎo)了染色體的缺失、倒位和易位等突變^[28-31]。  

　　2.2.4 基因編輯技術(shù)誘導(dǎo)法 　基因編輯技術(shù)引領(lǐng)了染色體重排的新時(shí)代，利用這些技術(shù)可以精準(zhǔn)地修改染色體上的基因或序列，誘導(dǎo)染色體重排。這一領(lǐng)域的演進(jìn)經(jīng)歷了從設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與目標(biāo)DNA序列結(jié)合、引發(fā)DNA雙鏈切割誘導(dǎo)細(xì)胞修復(fù)進(jìn)行編輯的階段，到以CRISPR系統(tǒng)為標(biāo)志，利用RNA引導(dǎo)蛋白與目標(biāo)DNA序列結(jié)合，通過(guò)RNA-DNA互補(bǔ)配對(duì)實(shí)現(xiàn)基因組定點(diǎn)編輯的發(fā)展歷程。

　　（1）早期的核酸酶編輯技術(shù)：鋅指核酸酶（Zinc finger nucleases，ZFN）和轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)核酸酶（Transcription activator-like effector nuclease，TALEN）是早期發(fā)展的核酸酶修飾、改造基因組的工具酶。利用ZFN技術(shù)，在擬南芥中可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)排列基因的缺失和倒位^[32]，還在煙草中成功刪除了4.3 kb的大片段^[33]。在水稻愈傷組織中使用2對(duì)TELENs產(chǎn)生了相同類型的染色體重排，但是未能遺傳到下一代植株^[34]。此外，歸巢核酸內(nèi)切酶I-SceI也被應(yīng)用于植物染色體重排的誘導(dǎo)。在擬南芥兩個(gè)不同的染色體上誘導(dǎo)2個(gè)DSB，可以交換2個(gè)染色體臂，導(dǎo)致易位^[35]。

　?。?）CRISPR-Cas系統(tǒng)：CRISPR-Cas系統(tǒng)是最新的基因編輯技術(shù)，可以更高效、精準(zhǔn)地改變?nèi)旧w上特定基因或序列的排列順序或結(jié)構(gòu)^[36]。近年來(lái)，不同類型的CRISPR系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于植物染色體重排操作中。HEI10是水稻重組關(guān)鍵基因，利用CRISPR-Cas9技術(shù)對(duì)HEI10的啟動(dòng)子區(qū)或5' UTR區(qū)進(jìn)行編輯，突變株遺傳重組頻率相應(yīng)發(fā)生改變^[37]?；贑RISPR-Cas系統(tǒng)對(duì)單個(gè)或多個(gè)基因進(jìn)行基因編輯已經(jīng)成為常規(guī)操作，但在植物中同時(shí)引入多個(gè)DSB位點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)染色體重排的研究尚處于起步階段^[38-40]。真核生物基因組中廣泛的、大量的存在染色體上串聯(lián)排列的同源基因，稱為Tandemly arrayed genes（TAG）。在成對(duì)的gRNA引導(dǎo)下，CRISPR介導(dǎo)的TAG敲除會(huì)引發(fā)高頻的染色體缺失/ 倒位雙等位變異^[41]，為多位點(diǎn)染色體重排提供了潛在工具。通過(guò)設(shè)計(jì)組織特異啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)Cas9表達(dá)、雙sgRNA設(shè)計(jì)等方法，研究人員在擬南芥、玉米、大豆等物種中成功實(shí)現(xiàn)了染色體大片段的倒位、刪除等變異^[42-45]。除了基于Ⅱ型CRISPR的Cas9系統(tǒng)，其他類型CRISPR也被開(kāi)發(fā)利用。其中CRISPR-Cas12a/CRISPR-Cas12b系統(tǒng)具有分子量更小、脫靶率低等優(yōu)勢(shì)，而CRISPR-Cas3系統(tǒng)在不同作物中表現(xiàn)出更高的大片段敲除效率。Li等^[46-47]利用CRISPR/Cpf1（Cas12a）系統(tǒng)在棉花中實(shí)現(xiàn)了靶向刪除。Wang等^[48]利用Cas12b（C2c1）系統(tǒng)在陸地棉中成功地靶向刪除。Li等^[49]利用I型CRISPR的Cas3 Dvu I-C系統(tǒng)進(jìn)行雙靶點(diǎn)設(shè)計(jì)，可在玉米和水稻中有效地刪除大片段。此外，大規(guī)模、全局性、基因組水平的染色體重排已在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中得以實(shí)現(xiàn)，Liu等^[50]使用CRISPR-Cas9靶向人類基因組多拷貝的逆轉(zhuǎn)座子LINE-1/Alu，誘發(fā)了大規(guī)模的基因組DSB和染色體重排事件，然而此類技術(shù)在植物中尚未見(jiàn)報(bào)道，未來(lái)在植物中進(jìn)行大規(guī)模染色體重排操作仍有廣闊的挖掘空間。

　　上述方法在植物育種和基因組研究中扮演著重要角色。利用這些技術(shù)，研究人員可以根據(jù)特定需求改變?nèi)旧w的序列排列，為改變植物基因組的結(jié)構(gòu)和功能提供多樣化的工具和途徑。

　　3.1　細(xì)胞生物學(xué)檢測(cè)方法

　　染色體核型分析是最傳統(tǒng)的細(xì)胞遺傳學(xué)檢測(cè)方法之一。該方法主要是選取細(xì)胞分裂中期的染色體，經(jīng)過(guò)染色和顯帶處理后，通過(guò)顯微鏡觀察染色體核型的形態(tài)變化、數(shù)量變化及任何可見(jiàn)的重排現(xiàn)象，如倒位、插入、缺失等。但由于是細(xì)胞水平的檢測(cè)，無(wú)法以更高的分辨率檢測(cè)基因組堿基層面的序列變異^[51]。熒光原位雜交技術(shù)（Fluorescence in situhybridization，F(xiàn)ISH）也常被用于植物染色體重排的可視化鑒定，其原理是將熒光素（如生物素、地高辛等）直接或間接標(biāo)記的探針與待測(cè)樣本中的核酸序列按照堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則進(jìn)行雜交，經(jīng)洗滌后直接在熒光顯微鏡下觀察，可用于檢測(cè)染色體上的缺失、重排或插入等事件^[52-54]。

4.1　提高農(nóng)作物的遺傳多樣性

　　近年來(lái)，全球農(nóng)業(yè)面臨著人口增長(zhǎng)、氣候變化、土地資源減少及有害生物增加等挑戰(zhàn)，作物育種是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的重要途徑之一。在人類長(zhǎng)期的馴化和選育中，栽培水稻的遺傳基因出現(xiàn)明顯的同質(zhì)化，導(dǎo)致豐富性和多樣性減少（圖 2A）。盡管已育成的品種在產(chǎn)量和品質(zhì)方面表現(xiàn)較佳，但卻引發(fā)遺傳基礎(chǔ)狹窄化的問(wèn)題，為全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性。作物的“從頭馴化”是近年來(lái)發(fā)展出的一種作物育種新策略，在應(yīng)對(duì)未來(lái)農(nóng)業(yè)挑戰(zhàn)方面具有重大潛力[60-61]（圖 2B）。與“從頭馴化”相比，利用現(xiàn)代生命科學(xué)技術(shù)主動(dòng)創(chuàng)制染色體變異具有截然不同的切入點(diǎn)和目標(biāo)。這種方式是基于預(yù)定的設(shè)計(jì)和目標(biāo)，有針對(duì)性地引發(fā)染色體重排、刪除或插入特定基因的現(xiàn)象，以實(shí)現(xiàn)所需的性狀變異（圖 2C）。在作物遺傳育種中，植物染色體重排的應(yīng)用還涉及到對(duì)染色體結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。通過(guò)基因編輯技術(shù)，尤其是CRISPR-Cas9系統(tǒng)，育種者可以有針對(duì)性地調(diào)整染色體的特定區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)性狀的定向改良。這種精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于不僅可以避免不需要的基因改變，還能夠更有效地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性狀的引入或改變，為作物育種提供更高的靈活性和精確性。例如，利用CRISPRCas9技術(shù)對(duì)水稻重組關(guān)鍵基因HEI10的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域進(jìn)行編輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)遺傳重組的正向和負(fù)向調(diào)控，為加速新品種的培育提供重要理論和技術(shù)支撐[37]。借助遠(yuǎn)緣雜交的方法引進(jìn)外源染色體，也可導(dǎo)致小麥自身染色體的缺失和易位。例如，小麥和黑麥之間發(fā)生1BL/1RS易位，為小麥品種選育創(chuàng)制了新材料[62]。

4.2　改良農(nóng)作物的重要性狀和環(huán)境適應(yīng)性

　　4.2.1 改良作物產(chǎn)量性狀作物產(chǎn)量性狀在我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域至關(guān)重要，直接影響著糧食供給和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?；蚨嘈云毡榇嬖?，完全敲除某個(gè)基因可能同時(shí)產(chǎn)生其他性狀，相比之下，染色體重排技術(shù)，如拷貝數(shù)變異和重復(fù)序列等，通過(guò)調(diào)控基因表達(dá)的劑量，更加精準(zhǔn)且靈活地調(diào)節(jié)基因表達(dá)水平，從而產(chǎn)生更有利的性狀。水稻穗發(fā)育基因FZP具有阻止腋芽分生組織形成并建立花分生組織的作用，與水稻產(chǎn)量密切相關(guān)，該基因上游存在18 bp的轉(zhuǎn)錄沉默子，通過(guò)自然群體分析結(jié)合分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)，篩選到轉(zhuǎn)錄沉默子拷貝數(shù)變異的品種，可使水稻增產(chǎn)15%^[63]。Alonge等^[64]利用高通量的PromethION平臺(tái)對(duì)100個(gè)不同的番茄基因組進(jìn)行了測(cè)序，每個(gè)基因組鑒定出25 000 ~ 45 000個(gè)結(jié)構(gòu)變異（Structure variations，SVs），其中包括1個(gè)83 kb的染色體串聯(lián)重復(fù)，可提高果實(shí)產(chǎn)量（表 1）。

　　4.2.2 改良作物抗性性狀作為世界一半以上人口的主糧，水稻受稻瘟病、稻曲病、白葉枯病等危害，嚴(yán)重影響其產(chǎn)量和品質(zhì)，然而高抗的水稻品種往往產(chǎn)量受損。rbl1基因可提高水稻對(duì)稻瘟病和白葉枯病的抗性，通過(guò)設(shè)計(jì)靶向rbl1的多重靶點(diǎn)，篩選到12 bp缺失、但穩(wěn)產(chǎn)高抗的水稻品種^[65]。在麥類作物中，小麥和簇毛麥的6VS/6AL發(fā)生易位，為小麥增添了抗白粉病的新基因^[66-67]。Li等^[68]利用TALEN系統(tǒng)靶向突變MLO基因，從后代中篩選到Tamlo-R32突變體，該突變體除了mlo突變之外，還缺失了MLO-B1鄰近304 kb的染色體片段，創(chuàng)制了既抗白粉病又高產(chǎn)的小麥種質(zhì)（表 1）。

　　4.2.3 改良作物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)　通過(guò)調(diào)控與作物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)相關(guān)的基因表達(dá)、失活有害代謝產(chǎn)物基因等方式，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)作物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的精準(zhǔn)調(diào)控和改良。玉米27-kDa γ- 醇溶蛋白編碼基因γ27在不同玉米自交系間存在拷貝數(shù)變異，含2個(gè)γ27拷貝的等位位點(diǎn)（Standard allele，S）可通過(guò)基因重排變成一個(gè)拷貝位點(diǎn)（Rearranged allele，R），其上游調(diào)控基因O2突變后（o2）醇溶蛋白含量大幅度下降，富含賴氨酸的其他蛋白互補(bǔ)性上調(diào)，在營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)方面得以提高，然而o2是粉質(zhì)表型，無(wú)法直接應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)。通過(guò)創(chuàng)制的UniformMu轉(zhuǎn)座子突變體庫(kù)篩選到攜帶三拷貝的γ27材料，通過(guò)靶向醇溶蛋白基因的RNAi轉(zhuǎn)基因中導(dǎo)入該材料后，后代品系富含賴氨酸、胚乳硬質(zhì)，提高了該品系在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的前景^[69]。棉花種子富含油脂和蛋白質(zhì)，但由于腺體中的代謝物棉酚具有毒性而不能食用。Li等^[47]利用棉花耐高溫，結(jié)合CRISPR/LbCpf1（LbCas12a）介導(dǎo)的基因組編輯系統(tǒng)，創(chuàng)制了純合、無(wú)棉酚的棉花材料，為棉花分子育種提供了新的種質(zhì)資源（表 1）。

　　4.2.4 改良作物環(huán)境適應(yīng)性除了改良產(chǎn)量、抗病等性狀，植物染色體重排還能夠促進(jìn)植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如微生態(tài)選擇壓驅(qū)動(dòng)適應(yīng)性進(jìn)化和生殖隔離的形成，同域情況下野生二粒小麥群體在受到強(qiáng)輻射時(shí)會(huì)采用不同的適應(yīng)性策略，從而分離出SFS1和SFS2兩個(gè)群體。SFS2群體通過(guò)早花規(guī)避生育后期高溫、強(qiáng)輻射、干旱造成的非生物脅迫，而SFS1群體則在強(qiáng)輻射誘導(dǎo)下發(fā)生DNA斷裂及染色體重新融合，產(chǎn)生晚花、耐強(qiáng)輻射性狀，最終導(dǎo)致亞群間的生殖隔離^[70]（表 1）。

　　4.2.5 染色體重排技術(shù)的其他應(yīng)用 在新型抗除草劑水稻研發(fā)方面，提高水稻中PPO1（原卟啉原IX氧化酶，Protoporphyrinogen IX oxidase）和HPPD（羥基苯基丙酮酸雙加氧酶，Hydroxyphenyl pyruvate dioxygenase）的表達(dá)量能夠提高水稻對(duì)相應(yīng)除草劑的抗性，通過(guò)CRISPRCas9系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)片段倒位和片段重復(fù)，分別對(duì)PPO1和HPPD基因表達(dá)實(shí)現(xiàn)了敲高調(diào)控，使水稻植株表現(xiàn)出抗除草劑性狀^[71]。微同源介導(dǎo)的末端連接（Microhomology-mediated end joining，MMEJ）是另一種DNA修復(fù)機(jī)制，需要基于DSB附近4~25 bp微同源序列（MHS）之間的重組，利用這種機(jī)制可有效促進(jìn)基因組的大片段刪除^[72]。Tan等^[73]利用微同源介導(dǎo)的末端連接體系實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)基因水稻植株中抗性基因（潮霉素抗性基因）HPT的大片段刪除。通過(guò)在微同源位點(diǎn)附近設(shè)計(jì)雙sgRNAs，Zhu等^[74]也在番茄中實(shí)現(xiàn)了大片段刪除。LYU等^[75]發(fā)現(xiàn)基于CRIPSR/Cas12i3的iMAGE系統(tǒng)在水稻中產(chǎn)生的基因組大片段易位效率顯著高于CRISPR/Cas9。該技術(shù)有望在靶基因上游有強(qiáng)自動(dòng)子時(shí)，被用于大片段刪除，以增強(qiáng)靶基因表達(dá)的效果。Sun等^[76]研究開(kāi)發(fā)了PrimeRoot（Prime editing-mediated Recombination of opportune targets）技術(shù)，通過(guò)系統(tǒng)整合優(yōu)化的引導(dǎo)編輯工具和位點(diǎn)特異性重組酶系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水稻中長(zhǎng)達(dá)11.1 kb大片段DNA的高效精準(zhǔn)定點(diǎn)插入，為研究更加復(fù)雜的性狀和植物合成生物學(xué)的應(yīng)用提供工具（表 1）。

5　總結(jié)與展望

　　植物染色體重排技術(shù)作為一種強(qiáng)大的工具，在植物遺傳育種和基因組研究領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)操縱植物基因組的結(jié)構(gòu)，可以引入新的遺傳變異，從而改善作物的產(chǎn)量、抗性和適應(yīng)性。植物染色體重排技術(shù)還有助于解析植物基因組的結(jié)構(gòu)與功能，為基因定位和功能鑒定提供重要手段。此外，植物染色體重排技術(shù)可以促進(jìn)作物的適應(yīng)性進(jìn)化、打破連鎖效應(yīng)，從而創(chuàng)造新的基因組合，提高作物遺傳的多樣性和復(fù)雜性。這將有助于培育強(qiáng)適應(yīng)性、抗性和高產(chǎn)性的新品種，從而提升作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，為糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

　　植物染色體重排技術(shù)在推動(dòng)作物遺傳改良和基因組研究方面取得了顯著進(jìn)展，然而，其應(yīng)用也伴隨著一系列風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行細(xì)致的評(píng)估，具體包括：（1）染色體重排技術(shù)的廣泛應(yīng)用可能引起作物表型的非正?；?。盡管該技術(shù)可以引入有益的遺傳變異，但隨之而來(lái)的未知基因組變異可能導(dǎo)致某些不良表型，進(jìn)而損害或抑制植物的正常生長(zhǎng)和發(fā)育。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，必須充分考慮和評(píng)估由染色體重排引發(fā)不良表型的可能性。（2）生物安全性評(píng)估是植物染色體重排技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在推動(dòng)作物遺傳改良的同時(shí)，我們必須確保該技術(shù)不會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成潛在威脅。因此，未來(lái)的研究需要加強(qiáng)生物安全性評(píng)估，全面了解染色體重排技術(shù)對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期影響。（3）傳統(tǒng)的雜交育種和理化方法創(chuàng)制染色體重排的概率相對(duì)較低。雖然這些方法在基因組改良方面取得了成功，但其精確性和效率相對(duì)較低。與之相比，現(xiàn)代生命科學(xué)技術(shù)，如基因編輯，提供了更為主動(dòng)、高效的手段來(lái)創(chuàng)制染色體重排。然而，基因編輯創(chuàng)制染色體重排的具體機(jī)制和規(guī)律尚不清楚，需要進(jìn)一步深入研究。（4）未來(lái)需要解決植物染色體重排技術(shù)在精確控制過(guò)程中的挑戰(zhàn)。盡管現(xiàn)代技術(shù)使得全基因組范圍內(nèi)的系統(tǒng)性染色體重排成為可能，但仍面臨著精準(zhǔn)定位和重排染色體片段的技術(shù)復(fù)雜性。為了克服這一挑戰(zhàn)，需要開(kāi)發(fā)更為精準(zhǔn)的工具和策略，確保染色體重排的精準(zhǔn)性和可控性。

　　通過(guò)持續(xù)改進(jìn)技術(shù)手段、加強(qiáng)監(jiān)管和推動(dòng)國(guó)際合作，我們有望解鎖植物染色體重排技術(shù)更廣泛的潛力，為全球農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供更多創(chuàng)新的可能性。這將為培育更具適應(yīng)性、抗性和高產(chǎn)性的新品種，解決全球糧食安全和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展等重大挑戰(zhàn)提供實(shí)質(zhì)性的方案。

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