利用多基因编辑技术创制高抗性淀粉大麦新种质

近年来，随着生活水平的提高，肥胖症、糖尿病和肠道疾病发生的几率显著增加。抗性淀粉具有降低血糖血脂、预防直肠癌等肠道和心脑血管疾病等多种保健功能，是理想的膳食来源。大麦是世界第四大禾谷类粮食作物，是藏族同胞的主粮。大麦籽粒中淀粉约占50%-70%，高抗性淀粉含量大麦可用作功能性和健康食品的重要原料。然而常规栽培大麦抗性淀粉含量较低不利于其在功能性食品生产上的应用。以CRISPR/Cas9系统为代表的基因组编辑工具有着简易、高效和精准的特性，为通过遗传修饰创制高抗性淀粉大麦提供了关键技术支撑。

该研究利用CRISPR/Cas9多基因编辑技术对部分编码大麦可溶性淀粉合成酶、淀粉分支酶等多个淀粉合成关机键基因进行靶向敲除。通过后代基因型鉴定得到了多种不同基因型的单基因、多基因缺失突变体，通过突变体籽粒组成及淀粉特性分析解析大麦淀粉合成酶基因及其互作对抗性淀粉合成的作用机制，相关成果“Genome editing of five starch synthesis genes produces highly resistant starch and dietary fibre in barley grains”发表在国际著名学术期刊《Plant Biotechnology Journal》。

该研究通过一次遗传转化在大麦中完成了对SSIIa、SSIIIa、SSIVa、SBEIIa、SBEIIb基因的靶向敲除。通过突变体后代自交分离鉴定获取了ssIIa、ssIIIa、ssIVa、sbeIIa、sbeIIb五个单基因缺失突变体，ssIIassIIIa、ssIIassIVa、sbeIIasbeIIb、ssIIassIIIassIVa、ssIIasbeIIasbeIIb五个多基因缺失突变体。籽粒组成测定结果显示，不同基因型突变体在抗性淀粉等健康有益成分含量上表现突出。其中，sbeIIasbeIIb和ssIIasbeIIasbeIIb突变体中抗性淀粉含量约为对照材料的35倍；ssIIassIIIa和ssIIassIVa突变体中抗性淀粉含量约为对照材料的10倍；sbeIIa和ssIIassIIIassIVa突变体中抗性淀粉含量分别约为对照材料的7倍和2倍；ssIIa、ssIIassIIIa、ssIIassIVa、sbeIIasbeIIb、ssIIassIIIassIVa、ssIIasbeIIasbeIIb突变体中果聚糖含量显著高于对照；ssIIa、ssIIIa、ssIIassIVa、ssIIassIIIassIVa、ssIIasbeIIasbeIIb突变体中β-葡聚糖含量显著高于对照；ssIIa、ssIIIa、ssIIassIIIa、ssIIassIVa、sbeIIasbeIIb、ssIIassIIIassIVa、ssIIasbeIIasbeIIb突变体中的纤维素含量显著高于对照。通过突变体淀粉特性分析，研究人员发现不同突变体在淀粉粒形态和组成、膨胀度、热力学特性、链长分布等参数上存在较大差异。综上所述，该研究创制了高抗性淀粉大麦新种质，解析了大麦淀粉合成酶基因及其互作对抗性淀粉合成的作用机制，为健康功能大麦培育提供了理论依据和技术支撑。

小麦研究所已毕业博士研究生杨强为该文第一作者，我所江千涛教授、澳大利亚Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation李忠谊研究员为该文通讯作者。该研究得到四川省国际科技合作项目(2023YFH0041)的支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14324