CGM第418期：MRDI —— 一种基于多基因编辑的作物定向改良策略

在过去的二十年中，科学家们在水稻中鉴定或克隆了许多控制重要农艺性状的基因。然而，大多数这些基因的鉴定仅限于特定品种或单基因突变的背景中，严重限制了它们在实际生产中的应用。许多重要的农艺性状，如株型、生育期和品质，往往受到多个基因座的加性效应和遗传相互作用的综合影响。随着基因编辑技术的发展，使得复杂农艺性状的快速改良成为可能。以抽穗期和株型改良为例，目前的策略通常通过大量创制表达差异突变体或基因敲除突变组合来进行筛选。然而，这些方法需要大量的遗传转化和检测鉴定工作。

本研究开发了一个优化的多重基因组编辑（Multiplex Genome Editing，MGE）工具箱，基于这个工具箱，设计了一种面向作物快速定向改良的新策略（MGE-based Rapid Directional Improvement ，MRDI），用于复杂农艺性状的快速改良。该策略结合多重基因编辑和杂交育种技术，提供了从多重sgRNA组装、无转基因筛选到优异种质创造的全套流程，仅通过单次载体转化，一次性创制了4000多种遗传变异组合，在短短两年内获得多个遗传稳定、突变特异的改良系。

利用此策略，对优质抗病品种福香占(FXZ)的生育期和株型进行快速改良。首先，我们选择了12个正负调控抽穗期和株型的基因，并设计了相应的敲除靶点。随后，将这些sgRNAs组装到单一的双元载体中，一次性敲除水稻中的这12个基因。在长日照条件下种植并调查了FXZ / FXZMGE 的F2群体。该群体覆盖长达40天的抽穗期变异，同时存在株型和穗型的变异材料。通过对后代材料的稻瘟病和米质进行鉴定，结果表明多基因编辑后代材料保持福香占的优异品质和稻瘟病抗性。经过三代的田间选育和室内鉴定，选育出多个早熟、株叶态好，兼具稳产、高抗、优质的新种质。同时，通过对稳定株系的表型和基因型的鉴定，发现多个基因模块之间存在着强烈的遗传互作。因此，MRDI育种策略不仅能作为挖掘与利用重要农艺基因以及创制新种质的有力工具, 还可以用于研究复杂性状调控网络中基因之间的互作关系。