Cell—Engineering Quantitative Trait Variation for Crop Improvement by Genome Editing

introduction翻译

目前作物的产量将不会满足未来食物、饲料和燃料的需求。因此发展创新的方法去加快作物改良和使作物产量更加可以预测。在植物育种中的重要障碍是解释数量性状的遗传变异的有限来源和需要大量时间和人力去对那些有较好的表型植株的种质资源进行质表型和分子评价。在作物中提高遗传和表型的变异依赖于和野生种杂交来引入外的等位基因而造成的多样性，或通过随机突变创造新的等位基因或者使用基因工程的方法。然后，这些方法效率较低，尤其是需要提供对那些育种家最喜欢的数量性状上的出现的能够导致精细变化的突变。

大量植物和动物的数量性状位点(QTL)和全基因组关联研究(GWAS)揭示了许多驱动进化、驯化和育种的基因变化发生在顺式调控区域。与在编码序列中改变蛋白结构的突变相比，顺式调控元件的突变经常是不会有多效性并且经常通过对基因表达的时间、模式和水平的修饰来引起精确的表型变化。对这种现象的主要解释是转录调控的复杂性，这种转录调控包括在启动子或其他调控去的顺式作用元件的冗余性和模块化管理，其中许多其他的调控区域仍是缺乏研究的。CER之间的空间距离、染色体的相互作用、异上位显性以及模块之间的补偿有增加了这种复杂性。一方面上述这些参数提供了进化方面的适应性，这也使得对预测在顺式调控区域的突变造成的表型影响变得更加复杂。

尽管在植物和动物进化和驯化过程中被广泛使用，顺式调控元件的突变远远没有饱和，因此这些突变代表着一个未开发的对育种等位基因多样性的资源。而有限的顺式调控等位基因也限制了我们深入理解调控的改变如何影响这些数量性状。例如，一个长期存在的问题是基因调控整体状况的改变是否导致转录水平和表型的线性或者非线性的关系和不同基因如何响应各种各样的响应。因此，扩大顺式调控元件的突变不仅希望够实现作物的提高，也能阐明对数量性状控制的原理说明。

一个有力的创造新的等位基因突变的方法是通过基因组编辑。在植物中，这个技术现在主要被用于在编码序列中产生突变，为了创造功能研究的无效突变的目标。然而，基于以前的研究，我们认为CRISPR/Cas9技术中的许多元件能够被整合到设计出多样化类型和不同强度的顺式调控元件的突变。这里，我们设计了一个遗传驱动系统，这个系统利用可以携带多个gRNAs的‘敏感的’F1群体的CRISPR/Cas9转基因的遗传性来快速和高效的对调控果实大小、花序形态和植株生长习性的三个基因产生大量的新的顺式调控等位基因。通过下一代对转基因的分离，我们从新找到一系列稳定的启动子等位基因，这些等位基因提供一个这三个形状的一系列突变。其中一个基因，我们发现转录的改变对表型的影响不能很好的预测。这些影响揭示了在调控的突变如何对数量形状的影响方面有着许多不知道的复杂性。