甘蔗是地球上产量最高的植物之一，提供了全世界80%的糖和30%的生物乙醇。因此，它具有生产生物制品和生物燃料的巨大潜力。然而，高度复杂的甘蔗基因组给传统育种带来了挑战，通常需要十多年的试验才能培育出改良品种。

佛罗里达大学和美国能源部高级生物能源和生物制品创新中心（CABBI）的研究人员最近发表了两项新成果，展示了首次利用CRISpR/Cas9基因组编辑技术成功地对甘蔗进行精准育种。

CRISpR/Cas9技术让科学家能够在几乎任何基因中引入精确的变化，关闭基因或者用更好的版本替换它。后者在技术上更具挑战性，到目前为止很少有用于作物的报道。

在第一项研究中，研究人员展示了关闭镁螯合酶基因若干拷贝的能力，这种基因是甘蔗中叶绿素生物合成所需的关键酶，能够产生从浅绿色到黄色叶片的植物。浅绿色植物并没有表现出生长下降，可能需要更少的氮肥就能够产生相同水平的生物量。这项研究发表在《Frontiers in Genome Editing》杂志上。

第二项研究也发表在《Frontiers in Genome Editing》杂志上，在甘蔗中实现了高效的基因靶向，证明了目标基因的多个拷贝可被更优的版本精确取代，从而获得了除草剂抗性。科学家们同时引入了修复模板和基因编辑工具，来指导植物自身的DNA修复过程。最终的结果是，基因产物仍然具有完整的功能，但不会被除草剂所抑制。

这两篇论文的通讯作者都是佛罗里达大学的Fredy Altpeter。它们首次成功证明了CRISpR基因编辑技术在甘蔗中的应用，以及利用任何基因组编辑工具能够在甘蔗中实现精确的核苷酸替换。

Altpeter表示：“现在我们有了非常有效的工具，可以将甘蔗改造成一种生产率更高或可持续性更强的作物。这很重要，因为甘蔗是推动新兴生物经济的理想作物。”

甘蔗是两种亲本植物的杂交产物，因此它有多组染色体，而不是像人类或二倍体植物那样只有两组染色体。这就产生了遗传冗余，可能有助于提高植物的生产力：如果一组基因失效，还有一组备用基因。不过，这也使得甘蔗极其难改良。作物科学家必须对控制特定性状的所有基因和副本进行改造。

传统育种将两种类型的甘蔗进行杂交，重新调整亲本中存在的遗传信息，以期获得理想的性状，如抗病性。问题在于，基因是一组一组地从亲本转移到后代的，而理想的性状往往与有害的遗传物质联系在一起。这意味着，科学家通常还必须进行多轮回交，筛选数千种植物，才能获得优质背景或潜在的植物特征。对于像甘蔗这样具有复杂基因组的植物来说，这个过程更加耗时和昂贵。

CRISpR-Cas9等精确的基因编辑技术为作物改良提供了一条更有针对性的途径，因为它避免了基因信息的重新调整，而只是简单地将劣质基因版本变为优质版本。考虑到甘蔗基因组的复杂性，Altpeter及其团队最初关注的是那些控制明显性状的基因（比如叶子颜色和除草剂抗性），这样他们就可以确定编辑是否有效。

Altpeter及其团队已经将这些结果应用于甘蔗品种的改良。甘蔗有许多不同的基因靶点，可以转化为更多的生物量或生产脂类或特殊脂肪酸。所有这些都在推动CABBI的目标，即从植物中生产燃料和其他产品来取代石油。

# # #

Eid A, Mohan C, Sanchez S, Wang D and Altpeter F (2021) Multiallelic, Targeted Mutagenesis of Magnesium Chelatase With CRISpR/Cas9 provides a Rapidly Scorable phenotype in Highly polyploid Sugarcane. Front. Genome Ed. 3:654996. doi: 10.3389/fgeed.2021.654996

Oz MT, Altpeter A, Karan R, Merotto A and Altpeter F (2021) CRISpR/Cas9-Mediated Multi-Allelic Gene Targeting in Sugarcane Confers Herbicide Tolerance. Front. Genome Ed. 3:673566. doi: 10.3389/fgeed.2021.673566