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选择植物和真菌的有用特性
图 1 利用植物遗传资源改良作物的有用特性。植物遗传资源（具有当前或潜在价值的植物遗传材料）包括作物地方品种——遗传上多样化的作物品种，是传统种子保存系统而非现代植物育种的产物，通常与当地适应性以及边缘农业环境中的传统农业实践有关（Maxted 等人，2020 年）；作物野生近缘种（CWR）——与作物关系相对密切的野生物种，可以使用常规或基因工程技术与作物杂交，将野生物种的理想特性引入作物；以及未充分利用的作物。传统上，野生植物通过随意选择和谱系育种进行驯化和改良。用于表征育种系的现代技术包括基因组大小关联研究 (GWAS) 和自动表型分析。加速育种周期的方法包括标记辅助育种——识别和使用与促进有利性状的等位基因相关的遗传标记，以便在比表型筛选成熟植物更年轻、成本更低的情况下从杂交中识别合适的后代；基因组选择——从全基因组扫描遗传变异中进行定量统计预测；以及基因改造——越来越多地使用 CRISPR/Cas 技术进行
选择植物和真菌的有用特性 - CGSpace
图 1 利用植物遗传资源改良作物的有用特性。植物遗传资源（具有当前或潜在价值的植物遗传材料）包括作物地方品种——遗传上多样化的作物品种，是传统种子保存系统而非现代植物育种的产物，通常与当地适应性以及边缘农业环境中的传统农业实践有关（Maxted 等人，2020 年）；作物野生近缘种（CWR）——与作物关系相对密切的野生物种，可以使用常规或基因工程技术与作物杂交，将野生物种的理想特性引入作物；以及未充分利用的作物。传统上，野生植物通过随意选择和谱系育种进行驯化和改良。用于表征育种系的现代技术包括基因组大小关联研究 (GWAS) 和自动表型分析。加速育种周期的方法包括标记辅助育种——识别和使用与促进有利性状的等位基因相关的遗传标记，以便在比表型筛选成熟植物更年轻、成本更低的情况下从杂交中识别合适的后代；基因组选择——从全基因组扫描遗传变异中进行定量统计预测；以及基因改造——越来越多地使用 CRISPR/Cas 技术进行
一种高效的基于原生质体的葡萄属基因组编辑方案
CRISPR-Cas 技术可以对植物基因组进行精确修改，有望彻底改变农业。这些技术依赖于将编辑组件递送到植物细胞中以及完全编辑的植物的再生。在无性繁殖植物（例如葡萄）中，原生质体培养是生产非嵌合和无转基因的基因组编辑植物的最佳途径之一。然而，原生质体再生植物的能力较差，阻碍了其在基因组编辑中的应用。在这里，我们报告了一种从多个葡萄品种的原生质体再生植物的有效方案。通过将原生质体封装在海藻酸钙珠中并与饲养层培养物共培养，原生质体分裂形成愈伤组织菌落，再生成胚胎并最终生成植物。该方案在酿酒葡萄和鲜食葡萄 (Vitis vinifera) 品种以及葡萄砧木和葡萄野生近缘种 Vitis arizonica 中均成功发挥作用。此外，通过用 CRISPR 质粒或核糖核蛋白 (RNP) 复合物转染原生质体，我们在三个品种和 V. arizonica 中再生了 VvPHYTOENE DESATURASE 基因经过编辑的白化植物。结果揭示了该平台在促进葡萄属物种基因组编辑方面的潜力。
番茄植株耐热性的遗传和分子机制
气候变化是全球粮食安全的主要威胁。气候变化会直接影响粮食系统，降低作物及其野生近缘种的产量和遗传多样性，从而限制未来培育优良品种的选择，降低作物适应未来挑战的能力。预计未来十年全球地表温度将平均上升 0.3 摄氏度，而《巴黎气候协定》旨在将全球变暖限制在平均 2 摄氏度以下，最好是与工业化前水平相比 1.5 摄氏度。即使《巴黎气候协定》的目标能够实现，预计的气温上升也会增加极端天气事件（包括热浪）发生的可能性，使热应激 (HS) 成为许多作物的主要全球非生物应激因素。热应激在植物营养和生殖发育的所有阶段都会对植物的形态、生理和生物化学产生不利影响。在果菜中，即使是适度的热应激也会降低果实结实率和产量，高温可能会导致果实质量不佳。在本综述中，我们强调了非生物胁迫（尤其是高温胁迫）对番茄等作物的影响，涉及决定植物生长和产量的关键过程。具体来说，我们研究了耐热性所涉及的分子机制以及开发耐热番茄品种的挑战。最后，我们讨论了一种有效提高蔬菜作物耐热性的策略。
核糖体 DNA 不稳定性是核型进化的潜在原因
核型是指基因组构成一组染色体的结构。物种间的核型差异预计会阻碍各种生物过程，如染色体分离和减数分裂染色体配对，从而可能导致不相容性。核型可以在近缘物种之间甚至同一物种的不同种群之间迅速变化。然而，人们对驱动核型进化的力量了解甚少。在这里，我们描述了从塞舌尔群岛分离出来的果蝇品系的独特核型。该品系丢失了 X 染色体上的核糖体 DNA (rDNA) 位点。由于 Y 染色体是唯一其他携带 rDNA 的染色体，所以所有雌性都携带至少一条 Y 染色体作为 rDNA 的来源。有趣的是，我们发现该品系还携带一条截短的 Y 染色体 (YS )，尽管它无法支持男性生育能力，但它在种群中稳定维持。我们的建模和细胞学分析表明，Y 染色体对雌性适应度的负面影响大于 YS 染色体。此外，我们生成了一个独立的菌株，该菌株缺乏 X rDNA，其核型为 XXY 雌性和 XY 雄性。该菌株迅速进化出多种核型：两个新的截短 Y 染色体（类似于 YS ），以及两个独立的 X 染色体融合，其中包含 Y 衍生的 rDNA 片段，从而消除了雌性对 Y 染色体的依赖。考虑到罗伯逊融合经常发生在人类的 rDNA 基因座上，我们提出 rDNA 基因座不稳定性可能是核型进化的驱动力之一。
驯化过程中的顺式和反式调控变异......
驯化过程需要将野生形态快速转化为人类选择的栽培形态。这一过程通常通过改变基因调控来实现，然而，顺式和反式调控变异在作物果实驯化中的作用尚无明确模式。利用等位基因特异性表达和网络分析，我们描述了辣椒野生和栽培品种的调控模式和基因表达的遗传，辣椒是一种果实形态变化显著的作物。我们认为，与栽培形式相关的基因表达差异最好由顺式调控中心通过反式调控级联起作用来解释。我们表明，在栽培辣椒中，与果实形态相关的基因表达相对于野生近缘种的基因表达部分是隐性的，这与杂交果实表型一致。栽培辣椒果实成熟和生长基因表达的减少表明，在其驯化过程中发生了功能丧失的选择。反式调控变化是大多数表现出调控差异的基因的基础，并且对基因表达的影响比顺式调控变体更大。对选定的顺式调控基因（包括 ARP9 和 MED25）的网络分析表明，它们与许多参与器官生长和果实成熟的转录因子相互作用。与顺式调控变体相关的差异表达基因及其与下游反式作用基因的相互作用有可能驱动野生果实和栽培果实之间观察到的形态差异，并为辣椒驯化过程中的形态转变提供一种有吸引力的机制。
CRISPR/Cas 基因组编辑在番茄改良中的应用
番茄的遗传基础狭窄，给育种带来了严峻挑战。因此，随着成簇的规律间隔短回文重复序列 (CRISPR) 相关蛋白 9 (CRISPR/Cas9) 基因组编辑的出现，快速高效的番茄育种已成为可能。番茄的许多性状已使用 CRISPR/Cas9 进行编辑和功能表征，例如植物结构和花的特性（例如叶、茎、花、雄性不育、果实、单性结实）、果实成熟、品质和营养（例如番茄红素、类胡萝卜素、GABA、TSS、花青素、保质期）、抗病性（例如 TYLCV、白粉病、晚疫病）、非生物胁迫耐受性（例如热、旱、盐度）、CN 代谢和除草剂抗性。CRISPR/Cas9 已被证明可用于将野生近缘种的优良性状从头驯化到栽培番茄，反之亦然。 CRISPR/Cas 的创新允许使用在线工具进行单向导 RNA 设计和多路复用、克隆（例如 Golden Gate 克隆、GoldenBraid 和 BioBrick 技术）、强大的 CRISPR/Cas 构建体、高效的转化方案（例如农杆菌）和用于 Cas9-gRNAs 核糖核蛋白 (RNPs) 复合物的无 DNA 原生质体方法、Cas9 变体（例如无 PAM 的 Cas12a 和 Cas9-NG/XNG-Cas9）、基于同源重组 (HR) 的双生病毒复制子基因敲入 (HKI) 以及碱基/引物编辑（Target-AID 技术）。这篇小型评论重点介绍了 CRISPR/Cas 在番茄快速高效育种方面的最新研究进展。
FT 热诱导早期开花后，杨树 LEAFY 和 AGAMOUS 同源物的 CRISPR 敲除花型变化
植物从转基因树种或外来树种迁移到附近土地或通过与野生近缘种杂交而产生的基因流动是公众和监管机构关注的焦点。目前已存在许多减轻潜在基因流动的遗传策略；然而，开花开始的长期延迟严重制约了研究的进展。在通过 CRISPR 敲除杨树关键花基因 LEAFY 和 AGAMOUS 的同源物后，我们利用热诱导的 FT 过表达来加速对预期花表型的评估。我们选择了先前表征的 CRISPR-Cas9 诱导的双等位基因变化的事件，然后用在强组成型启动子或热诱导启动子控制下的拟南芥 FLOWERING LOCUS T (AtFT) 基因重新转化它们。我们成功地在杨树的雄性和雌性克隆中获得了开花，在花、分株和插入事件中观察到了各种各样的花序和花形态。总体而言，从选定的 LFY 和 AG 靶向事件中获得的花与这些基因功能丧失的预测一致。LFY 靶向事件显示具有叶状器官的小柔荑花序，AG 靶向事件具有嵌套花器官，与花确定性降低和缺乏形成良好的心皮或花药一致。这些发现证明了杨树花在遗传加速开花过程中具有很大的发育可塑性，这可能具有园艺价值。它们还提供了有关这两个基因靶标敲除后花表型和表观不育性的有益早期观察。
X 染色体靶特异性在剂量之间有所不同……
摘要 进化视角增强了我们对生物机制的理解。通过对近缘线虫物种秀丽隐杆线虫 (Cbr) 和秀丽隐杆线虫 (Cel) 之间的性别决定和 X 染色体剂量补偿机制的比较，发现控制这两个过程的遗传调控层次是保守的，但控制 X 表达的专门凝聚蛋白剂量补偿复合物 (DCC) 的 X 染色体靶标特异性和结合模式已经出现分歧。我们在 Cbr DCC 募集位点内发现了两个在 X 上高度富集的基序：13 bp MEX 和 30 bp MEX II。在具有一个或两个基序的多个拷贝的内源性募集位点中突变 MEX 或 MEX II 会降低结合，但仅去除所有基序会消除体内结合。因此，DCC 与 Cbr 募集位点的结合看起来是附加的。相反，DCC 与 Cel 募集位点的结合是协同的：即使只突变一个基序也会消除体内结合。尽管所有 X 染色体基序都具有 CAGGG 序列，但它们在其他方面已经分化，因此一个物种的基序无法在另一个物种中发挥作用。功能分化在体内和体外均已得到证实。Cbr MEX 中的单个核苷酸位置可以决定 Cel DCC 是否结合。DCC 靶标特异性的这种快速分化可能是建立线虫物种间生殖隔离的重要因素，并且与果蝇物种间 X 染色体剂量补偿的靶标特异性的保守性以及控制发育过程（例如从果蝇到小鼠的体型特征）的转录因子的靶标特异性的保守性形成了鲜明对比。
无融合生殖禾本科植物的遗传转化
现有的植物转化方法和超越其极限的扩展对于作物改良仍然至关重要。对于禾本科植物来说，这甚至更加关键，主要是因为体外再生存在缺陷。尽管禾本科植物中存在许多通过农杆菌或基因枪法实现遗传转化的方案，但它们的效率取决于基因型，而且由于这些物种难以进行体外再生，因此效率仍然很低。世界各地的大学和企业中可能有许多用于谷物和其他重要作物的植物转化设施，但对于无融合生殖物种来说情况并非如此，其中许多是 C4 禾本科植物。此外，无融合生殖（通过种子进行无性繁殖）是育种的另一个限制因素。然而，无融合生殖克隆的转化是一种有吸引力的策略，因为转基因会立即固定在高度适应的遗传背景中，能够进行大规模克隆繁殖。除了巴西种植面积约为 1 亿公顷的 Brachiaria brizantha 等一些物种外，无融合生殖在经济作物中几乎不存在。然而，由于有时在野生近缘种中存在这种特性，因此主要目标是将这种特性转移到作物中以固定杂种优势。到目前为止，这是一项艰巨的任务，主要是因为无融合生殖的许多方面尚不清楚。在过去的几年中，已经确定了许多候选基因，并尝试在拟南芥和水稻中对它们进行功能鉴定。然而，真正的无融合生殖物种的功能分析远远落后，主要是由于其基因组的复杂性、性状本身的复杂性以及缺乏有效的遗传转化方案。在本研究中，我们回顾了以无融合生殖禾本科植物为重点的体外培养和遗传转化方法的现状，以及在其他相关物种中应用新工具的前景，目的有两个：为发现无融合生殖所涉及的分子途径铺平道路，并开发新的育种能力，因为这些禾本科植物中的许多都是重要的饲料或生物燃料资源。