作物分子育種的主流技術(shù)途徑是鑒定和利用基因優(yōu)異變異，但基因組中存在大量重要功能位點(diǎn)尚未形成優(yōu)異等位變異，制約品種改良潛力。以大豆正調(diào)控油分與籽粒大小的糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SWEET系統(tǒng)為例：GmSWEET10a和GmSWEET10b同源基因雖均參與種皮-胚糖分運(yùn)輸調(diào)控，但遺傳改良進(jìn)程呈現(xiàn)顯著差異——GmSWEET10a的優(yōu)異等位在高油大豆種質(zhì)中廣泛利用，而同源基因GmSWEET10b卻未發(fā)現(xiàn)可人工利用的優(yōu)異自然變異（Wang et al 2020），這導(dǎo)致該調(diào)控通路未能充分發(fā)揮油分積累潛能。整合人工智能驅(qū)動(dòng)的蛋白質(zhì)理性設(shè)計(jì)與CRISPR基因編輯技術(shù)，可望通過設(shè)計(jì)育種實(shí)現(xiàn)基因功能定向進(jìn)化，突破自然變異限制。但目前該策略在遺傳改良領(lǐng)域尚無實(shí)例。

近日，廣州大學(xué)關(guān)躍峰課題組在

Advanced Science

AlphaFold-guided bespoke gene editing enhances field-grown soybean oil contents

該研究借助AlphaFold預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，GmSWEET10a的C端變異可賦予其增強(qiáng)或減弱的轉(zhuǎn)運(yùn)活性。并通過基因編輯驗(yàn)證了GmSWEET10a C端在調(diào)控含油量方面的效應(yīng)。作者進(jìn)一步通過AlphaFold結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與聚類，設(shè)計(jì)出自然界不存在的新型GmSWEET10b單倍型。通過基因編輯獲得預(yù)期基因型，發(fā)現(xiàn)GmSWEET10b的糖轉(zhuǎn)運(yùn)能力可被定向增強(qiáng)。經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計(jì)的多年多點(diǎn)大田試驗(yàn)，作者發(fā)現(xiàn)，在已有GmSWEET10a優(yōu)異基因型的大豆高產(chǎn)品種HC6底盤基礎(chǔ)上，基因編輯改造高油型 GmSWEET10b，可進(jìn)一步提升含油量0.8-1.8個(gè)百分點(diǎn)，且不降低小區(qū)產(chǎn)量（部分試驗(yàn)中小幅提高）。由于該基因編輯創(chuàng)造的基因型在自然群體中不存在，通過AlphaFold引導(dǎo)的定制化基因編輯技術(shù)可廣泛用于已有主推品種的高油改良，可助力培育高油高產(chǎn)大豆，破解我國大豆產(chǎn)業(yè)"卡脖子"難題。

廣州大學(xué)關(guān)躍峰教授為該論文的通訊作者，福建農(nóng)林大學(xué)王杰副教授，廣州大學(xué)張力博士后和汪鑫副教授，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所王守冬研究員為共同第一作者。河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所閆龍研究員、史曉蕾研究員，伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校Diwakar Shukla教授，廣州大學(xué)李美娜教授，福建農(nóng)林大學(xué)董永輝教授，江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所厲蘇寧助理研究員等參與了合作研究。

參考文獻(xiàn)：

S. Wang, S. Liu, J. Wang, K. Yokosho, B. Zhou, Y.-C. Yu, Z. Liu, W. B. Frommer, J. F. Ma, L.-Q. Chen, Natl. Sci. Rev. 2020, 7 (11), 1776.

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202500290