2020年2月22日、米国のコールドスプリングハーバーラボラトリー（CSHL）のDavid Jackson研究グループは、自然植物におけるトウモロコシCLE遺伝子のCRISPR-Cas9プロモーター編集による穀物収量関連特性の強化というタイトルの論文を発表しました。論文の最初の著者）。この研究では、CRISPR / Cas9システムを使用してトウモロコシCLE遺伝子のプロモーターを編集し、トウモロコシの高収量対立遺伝子を作成しました。
作物収量の遺伝的改善のための育種は、いくつかの変化を遂げました。第一世代の育種戦略は、生殖質源の収集、評価、選択に基づいており、植え付けのための高収量で高品質の生殖質資源を保持しています。第二世代の育種戦略の画期的なイベントは、コンセプトの提案と適用です。雑種強勢の影響により、近交系交配による交雑育種、雑種強勢、雑種強勢の収量は親種よりも大幅に高い。複数の作物の矮性遺伝子は作物の収量を増加させました;遺伝子改変技術、分子マーカー支援選択、全ゲノム選択などを通じた技術の開発は、作物の収量をさらに増加させました。しかし、世界人口の急増、気候変動による作物収量への悪影響、トウモロコシなどの作物に基づくバイオエネルギーの需要の増加に伴い、作物収量にはより高い要件が課せられています。現代のトウモロコシの家畜化と改良は約1万年前に始まりました。長期間の家畜化と選択の後、野生のトウモロコシ種Zeamaysssp。Parviglumisはトウモロコシの在来種に進化しました。約150年の遺伝的改良の後、さらに優れたトウモロコシ系統優れた適応性と高い穀物収量を備えたものが開発されました。この過程で、トウモロコシは日長、植物の形態、穂の大きさ、および穀物収量への適応性に非常に大きな変化を遂げました（Duvick 2005; Doebley et al2006）。その中で、トウモロコシの収量特性は厳選されています。野生のトウモロコシの穂には数十個の穀粒しかありませんが、現代のトウモロコシの穂には数百個もの穀粒があります。トウモロコシの穂あたりの穀粒数を増やすと、コーン。
トウモロコシは雌雄異株の植物で、トウモロコシの穂（雌の耳）は雌花序であり、雌花を発達させ、雄耳の雄花から花粉を受け取ることにより、受精後に最終的に穀粒に成長します。トウモロコシの穂の穀粒の数は、雌の花序の初期の発達中に形成され、決定されます（Vollbrecht and Schmidt2009）。トウモロコシの雌花序は一般に9-10の葉の段階で発達し始め、その時点で葉の腋窩にある腋窩分裂組織（Axillary Mersitem、AM）が花序分裂組織（IM）に変化します（Vollbrecht and Schmidt2009）。続いて、きちんと配置された分裂組織の複数の列がIM上に形成されます。つまり、小穂対分裂組織（SPM）です。次に、各SPMは、2つの短分岐分裂組織である小穂分裂組織（SM）に区別されます。各SMは、最終的に小花分裂組織と花器官の分化を経て、受粉後に成熟した穀粒に成長します（Vollbrecht and Schmidt2009）。したがって、トウモロコシの穂の発育中にIMがSPMに継続的に分化する能力と、SPMがSMに分化する能力によって、穂あたりの列数や最終的なトウモロコシの穂の穀粒の列数などの収量特性が決まります。 （Vollbrecht and Schmidt 2009）。したがって、トウモロコシの花序分裂組織の活性を高めると、理論的には穂と穀粒の数が増え、収量が増える可能性があります。
トウモロコシ花序分裂組織（IM）の確立と維持は、トウモロコシ花序の正常な発達の基礎です。他の分裂組織と同様に、IMは主に2つの役割を果たします。植物幹細胞（幹細胞）の分化による他の組織や器官の発達の開始と、細胞分裂による増殖です（Vollbrecht and Schmidt2009）。植物では、花序分裂組織の成長と分化を維持する古典的な方法は、CLAVATA-WUSCHELフィードバックループです。これには、IMの途中で特異的に発現するWUSCHEL（WUS）遺伝子、CLAVATA1（CLV1）、およびCLAVATA2（CLV2）がIM。）、およびCLV1およびCLV2へのWUSのシグナル伝達に関与するCLAVATA3（CLV3）シグナル伝達分子（Williams and Fletcher 2005）。シロイヌナズナのWUS遺伝子の産物は、分裂組織の成長とCLV3シグナル伝達分子の発現を促進します。CLV3はCLV1-CLV2複合体と相互作用して、WUSの発現をさらに阻害し、動的にバランスの取れた負のフィードバックループ経路を形成します。分裂組織の分化活性を維持し（Williams and Fletcher 2005）、この経路のバランスを崩し、分裂組織の過剰な増殖を示します（Williams and Fletcher2005）。CLV-WUS経路は、植物では比較的保存されています。厚いタッセルドワーフ1（td1）（Bommert et al 2005）、帯化したear2（fea2）（Taguchi-Shiobara et al 2001; Bommert et al 2013a）およびZmcle7、Zmfcp1（Rodriguez-Leal et al 2019）。これらの突然変異の表現型は類似しており、それらはすべて、IMの増加、男性の耳の肥厚、および耳列の増加として現れます。しかし、これらの変異体では、分裂組織の過剰な増殖のために、耳の発達が異常であり、収量が大幅に減少します。米国のコールドスプリングハーバーラボラトリーのデビッドジャクソン研究グループがEMSやその他の技術を使用して作成した、fea2の弱い変異体は、耳の正常な発達を保証し、分裂組織の活動を増加させ、それによって耳の列の数を増やし、その他の収量特性これらの遺伝子を人工的に改変して生物学的活性を細かく最適化することは、トウモロコシの分裂組織の活性を最適化し、トウモロコシの収量を増やすための重要な潜在的価値があります。Rodríguez-Lealetal。は、CRISPR-Cas遺伝子編集技術を使用してトマトCLV3遺伝子の調節配列を編集し、トマト果実のサイズと量の変動を調節できる新しい対立遺伝子を取得し、ゲノム編集技術の使用を実現しました。標的遺伝子人工設計（Rodríguez-Lealetal2017）したがって、ゲノム編集技術の適用は、トウモロコシの遺伝的改良に迅速に適用できる優れた対立遺伝子リソースをさらに作成することができ、トウモロコシ育種における幅広い適用の見通しがあります（Wolter et al.2019）。
Corn CLAVATA3（ZmCLE7およびZmFCP1）は、CLAVATA1（TD1）、CLAVATA2（FEA2）、およびFEA3にシグナルを伝達する一種の短いペプチドシグナル分子であり、それらを介してWUSHEL遺伝子の発現を阻害し、フィードバック制御シグナル伝達経路を形成します。 、花序分裂組織の発達を正確に調節します。弱変異対立遺伝子を取得するために、この最新の研究では、CRISPR-Cas9ゲノム編集技術を使用してプロモーター領域をターゲットにし、その発現に影響を与える弱変異を取得する方法を検討しています。ZmCLE7およびZmFCP1プロモーター領域について、研究者はATAC-seqおよびMNase-seqデータを使用してアクセス可能なクロマチン領域を分析し、同時に進化的分析を使用してプロモーター領域内の可能な保存的調節部位を予測しました。それぞれ9つのsgRNAを設計します。それらのプロモーター領域を標的にする。スクリーニングを通じて、ZmCLE7およびZmFCP1プロモーター領域は、それぞれいくつかの大きなフラグメントの削除および反転編集イベントについてスクリーニングされました。これらの編集イベントは、遺伝子の発現レベルを大幅に変える可能性があり、いくつかのプロモーターの対立遺伝子を編集すると、発現レベルの数を約45％〜約69％減らすことができます。その中で、ZmCLE7プロモーターによって編集された対立遺伝子は逆転しましたが、ZmCLE7発現部位はIMに拡大しました。
さらなる表現型分析を通じて、いくつかのプロモーターにおける編集された対立遺伝子の欠失は、花序分裂組織のサイズをある程度増加させ、それによっていくつかの収量関連形質および単一穂の穀粒収量を有意に増加させることができることが見出された。それらは、近交系および雑種のバックグラウンドで収量を大幅に増加させることができます。これらの対立遺伝子の収量の増加は、主に耳の肥厚、耳の列の数の増加、および耳あたりの穀粒の数の増加に反映されます。対照と比較して、耳の列の数の増加。は非常に重要で、約6列の増加で、穂あたりの穀物の数が増加します。重量は大きく変化せず、穂あたりの最終収量は約最大約26％増加しました。この研究では、プロモーター反転の1つの編集対立遺伝子が、ZmCLE7の発現部位を拡大し、その結果、耳が小さくなり、収量が減少することもわかりました。これらの結果は、ZmCLE7およびZmFCP1プロモーターの編集が遺伝子発現を定量的に調節し、トウモロコシ花序分裂組織の活性への影響に影響を与え、トウモロコシの収量特性の定量的変動に影響を与え、トウモロコシの穂あたりの収量を大幅に増加させることができることを示しています。
トウモロコシにはCLAVATA3の49の相同遺伝子（ZmCLE7とZmFCP1）があり、研究者らはCLAVATA3と相同遺伝子が複数の種で機能的に冗長であることが多いことを発見しました。たとえば、Zmcle7変異体では、ZmFCP1は発現によってアップレギュレートされ、ZmCLE7の特定の機能を補うことができます。研究者らはさらに、Zmcle7変異体のトランスクリプトームを分析し、別のCLAVATA3相同遺伝子であるZmCLE1E5をスクリーニングしました。これも、Zmcle7変異体の発現のアップレギュレーションを示しました。研究者らは、そのコード領域を編集し、フレームシフト変異が異なる2つのヌル対立遺伝子変異体を取得しました。Zmcle1e5変異体の花序メリステムの発達は比較的正常ですが、それは著しく拡大し、耳は著しく拡大し、耳の数は増加し、耳の形態は正常であり、収量は大幅に改善され、Zmcle1e5はZmcle7変異体の表現型を大幅に強化するため、ZmCLE1E5はZmCLE7の機能を部分的に補完することができます。さらに、ZmCLE7相補因子の同じ遺伝子編集も、ZmCLE7プロモーター編集と同様の高収量対立遺伝子を作成できることが示されています。
トウモロコシの収量は非常に複雑な量的形質であり、前任者はゲノムワイド関連解析や連鎖解析などの方法を使用して、収量に関連する形質の数百のQTL遺伝子座（www.maizegdb.org/qtl）を特定しました。 .QTLサイト、および耳の列数を制御するQTLサイトKRN4、100カーネルの重量を制御するQTL qHKW1、カーネルの数を制御するKNR6など、少数のサイトのみがクローン化されています。 Liu et al 2015; Yang et al 2019; Jia et al.al 2020）。これらのQTL遺伝子座は、特定の遺伝的背景の下でのみ大きな遺伝的影響を示すことがよくあります。たとえば、KRN4遺伝子座は、H21背景では耳の列の数を2.2行増やすことができますが、Mo17の背景では、耳の列の数はわずか0.7行に影響します。 （Liu et al 2015）。さらに、これらのQTL遺伝子座の優れた対立遺伝子は、優れた近交系集団で濃縮されることが多く、繁殖におけるこれらの遺伝子座の適用をさらに制限します。一方、収量に関連する形質の発達を制御するいくつかの重要な遺伝子は、表現型の数の変化につながる可能性のある自然の突然変異部位を持っていません。一方で、それは優れた自然の事実による可能性がありますこれらの遺伝子の変異部位は存在しないか、家畜化されており、ボトルネック効果により改善が失われています。たとえば、この研究に関与する2つのCLAVATA3相同遺伝子ZmCLE7およびZmFCP1は、広範な遺伝的変異を持つNAM集団の関連形質を制御するQTLまたは関連遺伝子座を検出しませんでした（Brown et al2011）。したがって、この研究では、ゲノム編集技術によって作成されたZmCLE7およびZmFCP1の優れた対立遺伝子を新しい遺伝資源として使用します。ZmCLE7およびZmFCP1の調節領域で編集された優れた対立遺伝子は、候補遺伝子の発現レベルを細かく調節し、花序発生におけるそれらの機能のバランスを取り、最終的にトウモロコシ収量形質の性能を高め、量的レベルでトウモロコシ粒収量を増加させ、それらを改善します収量関連の形質効果は、現在クローン化されているどのQTLサイトよりも大きい（Liu et al 2015; Yang et al 2019; Jia et al 2020）。プロモーター編集戦略に加えて、この研究では、分裂組織の発達において重要な遺伝子の相補的遺伝子を編集するための戦略も提案されています。これにより、分裂組織の活性を最適化し、高収量の対立遺伝子を作成することもできます。要約すると、一方で、この研究は優れた対立遺伝子リソースを作成し、他方では、重要な遺伝子の再利用のための新しいアイデアを提供しました。
参照：
1. Bommert P、Lunde C、Nardmann J、Vollbrecht E、Running M、Jackson D、Hake S、Werr W.厚いタッセルdwarf1は、シロイヌナズナCLAVATA1ロイシンリッチリピート受容体様キナーゼの推定トウモロコシオルソログをコードします。開発、2005、132（6）：1235–1245
2. Bommert P、Nagasawa NS、Jackson D.トウモロコシの穀粒の列数の量的変動は、FASCIATEDEAR2遺伝子座によって制御されます。Nat Genet、2013b、45（3）：334–337
3. Brown PJ、Upadyayula N、Mahone GS、TianF、Bradbury PJ、Myles S、Holland JB、Flint-garcia S、Mcmullen MD、Buckler ES、RochefordTR。トウモロコシの花序形質の雄と雌の異なる遺伝的構造。PLoS Genet、2011、7（11）：e1002383
4. Doebley JF、Gaut BS、SmithBD。作物の家畜化の分子遺伝学。Cell、2006年12月29日; 127（7）：1309-21
5. Duvick DNトウモロコシ（Zea mays L.）の進歩をもたらすための育種の貢献。アドバンス Agron、2005、86、83–145。
6. Je BI、Gruel J、Lee YK、Bommert P、Arevalo ED、Eveland AL、Wu Q、Goldshmidt A、Meeley R、Bartlett M、Komatsu M、Sakai H、Jnsson H、JacksonD。トウモロコシ器官原基からのシグナル伝達FASCIATED EAR3は、幹細胞の増殖と収量特性を調節します。Nat Genet、2016年7月; 48（7）：785-91
7. Jia H、Li M、Li W、Liu L、Jian Y、Yang Z、Shen X、Ning Q、Du Y、Zhao R、Jackson D、Yang X、ZhangZ。遺伝子KERNELをコードするセリン/スレオニンプロテインキナーゼNUMBER PER ROW6は、トウモロコシの穀粒収量を調節します。Nat Commun、2020年2月20日; 11（1）：988
8. Liu L、Du Y、Shen X、Li M、Sun W、Huang J、Liu Z、Tao Y、Zheng Y、Yan J、ZhangZ。KRN4はトウモロコシの穀粒列数の量的変動を制御します。PLoS Genet、2015b、11（11）：e1005670
9.Rodríguez-Leal、D.、Lemmon、ZH、Man、J.、Bartlett、ME＆Lippman、ZB Engineering、ゲノム編集による作物改良のための量的形質変異。Cell、2017、171、470-480.e8
10. Rodriguez-Leal D、Xu C、Kwon CT、Soyars C、Demesa-Arevalo E、Man J、Liu L、Lemmon ZH、Jones DS、Van Eck J、Jackson DP、Bartlett ME、Nimchuk ZL、Lippman ZB 植物幹細胞の増殖を制御する遺伝子回路におけるバッファリングの進化。Nat Genet、2019年5月; 51（5）：786-792。
11.タグチシオバラF、ユアンZ、ハケS、ジャクソンD。帯化したear2遺伝子は、トウモロコシのシュートメリステム増殖を調節するロイシンリッチリピート受容体様タンパク質をコードしています。Genes Dev、2001、15：2755–2766
12. Vollbrecht E、SchmidtRJ。花序の発達。In：Bennetzen JL、Hake S、eds。、Handbook of Maize：itsBiology。ニューヨーク：Springer、2009年。13-40
13.ウィリアムズL、フレッチャーJC。シロイヌナズナの幹細胞調節は頂端分裂組織を撃ちます。Curr Opin Plant Biol、2005、8（6）：582–586
14. Yang N、Liu J、Gao Q、Gui S、Chen L、Yang L、Huang J、Deng T、Luo J、He L、Wang Y、Xu P、Peng Y、Shi Z、Lan L、Ma Z、ヤンX、チャンQ、バイM、リーS、リーW、リューL、ジャクソンD、ヤンJ.熱帯トウモロコシ近交系のゲノムアセンブリは、構造変化と作物改良への洞察を提供します。Nat Genet、2019年6月; 51（6）：1052-1059。
紙のリンク：
www.nature.com/articles/s41477-021-00858-5
2021年3月2日「遺伝子編集ウェビナーがやってくる」、一緒に議論することを歓迎します〜
