竹子是一种非常特殊的植物，具有重要的经济、社会和文化价值。目前世界上约有25亿人直接生产和消费竹子，2018年国际贸易额高达688亿美元，其中中国竹产业的总产值超过2000亿人民币。在基础研究方面，科学家对竹子特有的一些生理现象非常关注，比如竹子是世界上生长最快的植物，但开花周期特别长；作为禾本科植物却具有非常特殊的营养器官（地下鞭根笋系统）。尽管人类应用竹子的历史非常悠久，但由于竹子开花周期长且不确定，传统的遗传育种方法很难应用于竹子。而相关基因工程育种手段的缺乏，也无法进行竹子的分子育种。因此竹子的分子生物学研究及种质创新工作远远滞后于其它主要的农林作物。到目前为止，所有的竹子新品种均为自然突变，没有一例人工创制竹子突变体的报道。

2020年7月，Plant Biotechnology Journal发表了福建农林大学朱强教授课题组题为“Robust CRISPR/Cas9 mediated genome editing and its application in manipulating plant height in the first generation of hexaploid Ma bamboo (Dendrocalamus latiflorus Munro)”的论文。该课题组以在东南亚地区广泛种植的麻竹为材料，建立了适合麻竹内源基因的敲除的基因编辑系统，实现了对麻竹基因的定点敲除。

麻竹属于牡竹属的巨型笋材两用竹种，经济价值极高。其染色体为六倍体。该团队首先建立并优化了适用于竹子的原生质体提取和转化的流程，用以快速的优化适用于竹子的基因编辑元件。目前可以从每克叶片中分离3.0×10⁶个原生质体，单质粒和双质粒转化的效率分别可达53.3%和29.8%。在该体系中通过对CRISPR/Cas9元件的优化，发现玉米的UBI启动子驱动Cas9基因及来自水稻的OsU6b启动子驱动的sgRNA可以有效地在竹子原生质体中进行基因的编辑（Figure 1）。

Figure 1. 竹子原生质体的提取、转化及用于CRISPR/Cas9元件的优化

为了测试该体系是否可以用来创制竹子突变体，该课题组克隆了可能参与类胡萝卜素生物合成途径的八氢番茄红素合成酶基因(Phytoene synthase 1，PSY1)，利用该课题组前期建立的麻竹遗传转化体系(Ye， et al.; 2017)，首次在六倍体麻竹的T0代中获得该基因的单拷贝突变及三个拷贝的同时突变，突变的最高效率为81.8%，PSY1纯合敲除突变体呈现了明显的白化表型，这种表型在组织培养阶段即已发生 (Figure 2)。

Figure 2. 麻竹PSY1基因的纯合突变呈现白化的表型

竹子是世界上最高的禾本科植物，先前的研究表明，赤霉素信号途径可能在这一过程中发挥了重要的作用其中一个被命名为GRG1 (GA-responsive gene 1, PH01004823G0070)的基因受到外源赤霉素的强烈诱导( Zhang, et al.; 2018). 课题组克隆了该基因在麻竹中的同源基因DlmGRG1，并通过CRISPR/Cas9介导的基因编辑体系对DlmGRG1进行定点敲除，获得了DlmGRG1纯合的麻竹突变体。突变体的株型和高度明显发生了改变，其节间长度明显增长（Figure 3）

Figure 3. 麻竹GRG1基因的纯合突变体的株型及节间长度发生改变

综上，利用优化的CRISPR/Cas9体系可以有效地对竹子的内源基因进行编辑，并在T0代即可产生靶基因的纯合突变体。该体系为将来竹子分子生物学的发展及通过分子育种的方法进行竹子农艺性状的改良提供了有力的技术支撑。

福建农林大学在读博士研究生叶善汶为本文第一作者，朱强教授为通讯作者。本文得到国家自然科学基金、福建省科技创新团队等项目的支持。

论文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31858701/。