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转化酶和蔗糖对改善番茄果实风味的调控研究进展
摘要 番茄 (Solanum lycopersicum L.) 是一种商业化种植的蔬菜，属于茄科，是继马铃薯 (Solanum tuberosum L.) 和洋葱 (Allium cepa L.) 之后第三大重要蔬菜。番茄因其新鲜果实和加工酱汁而被种植，全球产量超过 1.53 亿公吨。然而，现代番茄品种的糖、酸和挥发性等位基因多样性有限，因为在育种计划中，风味通常不太受重视。转化酶是番茄风味和糖代谢的重要调节剂。如果不清楚转化酶和蔗糖代谢的作用，番茄风味的遗传控制仍然不完整。本综述概述了我们目前对转化酶在蔗糖代谢中的作用方式、它们在番茄基因组中的进化和功能差异、在应激反应中的作用、水果风味和品质的遗传和激素控制的理解。我们总结了转化酶在糖代谢和水果风味中的主要作用。
合成微生物到植物通信通道
植物和微生物进行沟通以制止害虫，清除营养，并对环境变化做出反应。由物种的菌群组成的微生物群相互相互作用，并使用复杂的调节网络来解释的大型化学语言相互作用。在这项工作中，我们开发了模块化的跨沟通通道，使细菌能够向植物传达环境刺激。我们在Pseudomonas putida和Klebsiella肺炎中引入了一个“发件人设备”，该肺炎会产生小分子P-coumaroyl-Homoserine Lactone（PC-HSL），当传感器或电路的输出打开时。该分子触发植物中的“接收器装置”以激活基因表达。我们在拟南芥和结核菌（马铃薯）中验证了该系统，并在土壤中生长，通过交换细菌来表明其模块化，这些细菌可以处理不同的刺激，包括IPTG，ATC和砷。可编程沟通通道和植物之间的可编程通信通道将使微生物前哨向农作物传输信息，并提供设计人工联盟的基础。
茄属植物甾体糖苷生物碱生物合成研究新进展
甾体糖苷生物碱 (SGA) 通常存在于茄属植物中，是番茄 (Solanum lycopersicum)、马铃薯 (Solanum tuberosum) 和茄子 (Solanum melongena) 等茄属粮食作物 (Harrison 1990; Helmut 1998; Petersen et al. 1993) 中的已知有毒物质（图 1）。由于 SGA 对真菌、细菌、昆虫和动物具有毒性，因此被认为在抵御多种病原体和捕食者方面发挥着防御作用（Friedman 2002、2006）。土豆是全球第四大重要作物，然而，土豆含有有毒的 SGA，例如 α-茄碱和 α-卡茄碱。 SGA 主要存在于芽菜和绿色马铃薯中（特别是靠近皮的部分），如果马铃薯管理不当（例如暴露在光线下），它们的积累就会增加。虽然少量的 SGA 只会导致难闻的味道，但摄入大量则会引起食物中毒。番茄的绿色组织（例如叶子和未成熟果实）中主要的 SGA 是 α-番茄碱和脱氢番茄碱（Friedman 2002）。然而，在番茄果实成熟过程中，未成熟果实中积累的 α-番茄碱会被代谢并转化为无毒无苦味的 SGA esculeoside A（Iijima 等人 2009）。茄子主要产生 α-茄碱和 α-茄精（Sánchez-Mata 等人 2010）。此外，多种 SGA，例如脱米辛（S. acaule）和瘦素 I 和 II（S.
![植物生物技术 23.0611a (2023) [adv.pub.]](/simg/8\886d12a05c6e0ea5545c8dfe272b81f8a9782723.webp)
植物生物技术 23.0611a (2023) [adv.pub.]
摘要 马铃薯 (Solanum tuberosum L.) 具有四倍体基因组。要制造缺乏特定基因功能的突变体，必须将突变引入所有四个基因等位基因中。为了实现这一目标，我们开发了一种强大的基因组编辑工具 CRISPR/dMac3-Cas9，它安装了翻译增强子 dMac3，大大增加了下游开放阅读框的翻译。采用三种向导 RNA (gRNA) 的 CRISPR/dMac3-Cas9 系统大大提高了突变的发生率。该系统能够创建颗粒结合淀粉合酶 (GBSS) 和淀粉分支酶 (SBE) 的 4 等位基因突变体。这些突变体显示出功能缺陷的特征，表明我们成功地对马铃薯四倍体基因组进行了有效的基因组编辑。在这里，我们展示了使用 GBSS1 基因突变体时 gRNA 数量对目标基因有效诱变的影响。采用三个 gRNA 基因的 CRISPR/dMac3-Cas9 比采用两个 gRNA 的 CRISPR/dMac3-Cas9 实现了更高的突变效率，表明突变效率受靶区域 gRNA 数量的剂量效应影响。SBE3 基因的等位基因含有导致 gRNA 序列差异的 SNP，但这些 gRNA 有效发挥作用。然而，诱导了许多重排事件和大量缺失。这些结果支持 gRNA 与靶序列准确结合的重要性，这可能为避免脱靶位点的意外突变提供线索。
利用菊科生物质和生物肥料控制黑痂病，改善马铃薯作物健康
巴基斯坦的马铃薯 ( Solanum tuberosum L.) 种植面临挑战，其中由立枯丝核菌 (Rhizoctonia solani Kühn) 引起的黑痂病是一个严重问题。化学杀菌剂等传统方法可以部分控制该病，但缺乏有效的解决方案。本研究探讨了生物肥料和菊科杂草生物质土壤改良剂在控制该病害方面的潜力。选择了两个马铃薯品种 Karoda 和 Sante，并单独或与苍耳生物质一起测试了两种生物肥料 Fertibio 和 Feng Shou。阳性对照中的病害压力最高，化学杀菌剂可显著降低病害压力。苍耳生物质也显著降低了病害发生率。Fertibio 的效果优于 Feng Shou。施用生物肥料和生物质可以改善植物的生理生化特性。块茎重量、光合色素、总蛋白质含量和抗氧化酶（CAT、POX 和 PPO）呈正相关。Fertibio 和 S. marianum 生物质的联合应用可有效控制黑斑病。这些环保替代品可以增强疾病管理和产量。未来的研究应探索它们的成本效益、商业化和安全性。
一种高效的农杆菌介导方法，用于多种植物的瞬时基因表达和功能研究
尽管稳定转化技术的应用使人们对于基因功能有了更深入的了解，但将其应用在高通量研究中仍然十分困难。农杆菌浸润法已经被广泛应用于本氏烟等物种中，用于快速检测基因表达和蛋白质相互作用分析，但该技术在其他植物物种中效果并不理想，包括拟南芥。由于目前在模式植物拟南芥中缺乏高效的高通量瞬时表达系统，我们开发了一种高效、可重复、适用于在拟南芥和其他 7 种植物中瞬时表达多种功能蛋白的方法，包括甘蓝、风疹菜、盐芥、盐芥、马铃薯、辣椒和本氏烟。该方法的有效性已在三个独立的研究机构中得到独立验证，表明该技术的稳健性。此外，除了展示该技术在一系列物种中的实用性之外，我们还介绍了一个案例研究，采用该方法评估拟南芥蔗糖生物合成途径中的蛋白质-蛋白质相互作用。
关于植物利用基因组选择和高通量技术适应气候变化的研究主题的社论
气候变化将对主食（主要或孤儿）作物的产量和营养质量产生负面影响。此外，气候现象（频率、强度）的不确定性使得加快开发适应新条件的品种至关重要（Owino 等人，2022 年）。GWAS（全基因组关联研究）和 GS（基因组选择）是研究标记-性状关联并减少育种时间和成本的有效方法。然而，这些方法的效率受到遗传力和遗传结构的影响，而且它们并不总是完全成功。因此，需要新的方法来补充这些方法并在更短的时间内实现目标。高通量技术的快速发展为开发新的植物育种替代方案提供了机会。例如，越来越多的证据表明组学数据提高了基因组预测的性能。此外，将基因组和功能组学数据与遗传和表型信息相结合可以发现负责关键农学表型的基因和途径。上述方法产生的大量数据主要通过机器学习和深度学习等新兴分支与表型相关联。该学科可以处理数据的维度和复杂性，将生物学知识和组学数据转化为精确设计的植物育种（尽管这项任务并不总是能够实时解决）。本研究主题中提出的工作涵盖了应对气候变化带来的挑战的广泛解决方案，我们相信它们将对该领域的研究人员有所帮助。栽培马铃薯（Solanum tuberosum）对干旱的敏感性对种植者构成了重大挑战，尤其是在气候变化和干旱事件发生频率不断增加的背景下。Fofana 等人评估了一组 384 个乙基
利用 CRISPR/Cas 基因组编辑技术改良马铃薯的最新进展与挑战
摘要 马铃薯 ( Solanum tuberosum L.) 在确保全球粮食和营养安全方面发挥着重要作用。生物和非生物胁迫都会对块茎产量产生负面影响，而酶促褐变和冷诱导甜化则会严重导致收获后品质损失。面对人口增长和气候变化的双重挑战，马铃薯改良对其可持续生产至关重要。然而，由于马铃薯具有多种特性，包括高杂合性、四体遗传、近交衰退和二倍体马铃薯的自交不亲和性，常规育种方法不足以在相对较短的时间内实现四倍体马铃薯品种的显著性状改良。CRISPR/Cas 介导的基因组编辑为开发具有高商业化潜力的新型马铃薯品种开辟了新的可能性。在这篇综述中，我们总结了优化基于 CRISPR/Cas 的马铃薯基因组编辑方法的最新进展，重点介绍了解决该物种具有挑战性的生物学问题的方法。我们还讨论了获得无转基因基因组编辑马铃薯品种的可行性，并探索了提高马铃薯抗逆性、营养价值、淀粉组成以及储存和加工特性的不同策略。总之，本综述深入了解了使用 CRISPR/Cas 技术进行马铃薯基因组编辑的最新进展、可能的瓶颈以及未来的研究方向。
通讯 使用 SpCas9-NG 变体扩展 P. patens 中的 CRISPR 工具箱以及在茄科作物中基因和碱基编辑的应用
摘要：基因组编辑已成为多种物种功能研究和植物育种的主要工具。除了通过经典的 CRISPR-Cas9 系统产生敲除外，CRISPR 碱基编辑的最新发展为产生获得功能突变体提供了巨大而令人兴奋的机会。PAM 要求是 CRISPR 技术（如碱基编辑）的一大限制，因为碱基替换主要发生在较小的编辑窗口中。由于精确的单个氨基酸替换可能导致与某些域或农艺性状相关的功能，因此开发具有宽松 PAM 识别的 Cas9 变体对于基因功能分析和植物育种至关重要。最近，识别 NGN PAM 的 SpCas9-NG 变体已在植物中成功测试，主要是在单子叶植物中。在这项研究中，我们研究了 SpCas9-NG 在模式苔藓 Physcomitrella patens 和两种茄科作物（番茄和马铃薯）中对经典 CRISPR 基因敲除和胞嘧啶碱基编辑的效率。我们发现 SpCas9-NG 允许靶向非典型 NGT 和 NGA PAM，大大扩展了基因组编辑的范围。我们在研究中开发的 CRISPR 工具箱为模式植物和作物开辟了新的基因功能分析和植物育种前景。
CRISPR/Cas9 介导的颗粒诱变......
摘要：马铃薯 ( Solanum tuberosum L.) 是继水稻和小麦之后的第三大重要粮食作物。其块茎富含以淀粉形式存在的膳食碳水化合物，具有多种工业应用。淀粉由直链淀粉和支链淀粉两种多糖组成，它们的比例决定了不同的特性和功能。支链淀粉含量较高的马铃薯品种具有多种食品加工和工业应用。利用农杆菌介导的转化技术，我们将成簇的规律间隔短回文重复序列和 CRISPR 相关蛋白 9 (CRISPR/Cas9) 试剂递送到马铃薯 (品种 Yukon Gold) 细胞中，以破坏颗粒结合淀粉合酶 ( gbssI ) 基因，目的是消除淀粉的直链淀粉成分。块茎的卢戈氏碘染色表明，在一些编辑事件中直链淀粉减少或完全消除。高氯酸和酶法进一步证实了这些结果。一个事件 (T2-7) 显示所有四个 gbss 等位基因均发生突变，块茎中的直链淀粉被完全消除。使用快速粘度分析仪 (RVA) 测定了来自六个不同敲除事件的块茎淀粉的粘度曲线，这些值反映了支链淀粉/直链淀粉的比例。后续研究将重点关注从事件中消除 CRISPR 成分，并评估具有各种直链淀粉/支链淀粉比例的克隆在食品加工和其他工业应用中的潜力。