基于CRISPR-Cas系统的基因编辑技术可以精准定向地对植物的基因组进行编辑来获得目标突变体，已经成为基础研究和精准育种的重要工具，具有重要的理论研究价值和生产实践意义。高羊茅(Festuca arundinacea Schreb., 2n = 6x = 42, PPG1G1G2G2)作为一种重要的冷季型草坪草和牧草，已经被全世界广泛地应用于生产和生活中。然而夏季的极端高温天气，极大地影响了高羊茅的草坪质量和应用价值。但由于其自交不亲和的异源六倍体的特性和较大的基因组 (约6 gigabases)，使其在遗传修饰和改良方面具有巨大的挑战。因此，能够同时针对几个同源基因进行编辑的高效的基因组编辑工具，是解决这一瓶颈问题的关键。
中国科学院武汉植物园草坪草与牧草分子育种学科组在国际植物学期刊Journal of Integrative Plant Biology 上，发表了题为“Simultaneous gene editing of three homoeoalleles in self-incompatible allohexaploid grasses”的研究论文。该研究利用CRISPR/Cas9和CRISPR/Cas12a (Cpf1) 系统获得了高羊茅基因的三个同源等位基因的稳定转化突变体，成功地实现了对异源六倍体高羊茅的基因编辑。这一工作开启了利用基因编辑工具进行草坪草分子育种序幕。
该研究发现CRISPR/Cas9的两个sgRNA(sgRNA1和sgRNA2)对于FaPDS基因的编辑效率分别为83.9%和73.1%；而LbCas12a对于FaPDS基因的编辑效率13.6%-61.5%，比Cas9系统略低。因此选择Cas9系统对高羊茅的小分子热激蛋白FaHSP17.9进行基因编辑，获得了fahsp17.9-3和fahsp17.9-7两个关于高羊茅三个同源等位基因移码的突变体。通过热胁迫处理发现，小分子热激蛋白突变体fahsp17.9-3和fahsp17.9-7与野生型相比表现出明显的不耐热表型，草坪质量、光合Fv/Fm和叶绿素水平也显著低于野生型。叶绿素a荧光(OJIP)分析表明，在热胁迫下，突变体的J-I-P步骤比野生型受到更严重的影响，这表明在胁迫下突变体的PSII活性受到了更严重的破坏。fahsp17.9温敏突变体可作为鉴定高羊茅耐热性表型的参考材料，也可与其他高羊茅种质杂交，进一步加快了高羊茅耐热性新种质的选育进程。
武汉植物园草坪草与牧草分子育种学科组的胡涛副研究员，陈良研究员以及上海逆境中心的赵杨研究员为本论文的通讯作者。武汉植物园博士生张亮和联培生王涛为该论文的共同第一作者。该论文得到了国家自然科学基金和山东省重大科技专项的资助。
论文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1111/jipb.13101
图1. 利用CRISPR/Cas9和CRISPR/Cas12a (Cpf1) 系统成功对高羊茅FaPDS基因3个拷贝进行编辑
图2. CRISPR/Cas9编辑的fahsp17.9突变体呈现对高温敏感表型，高羊茅基因编辑育种模型
