小麦为全球人口提供主粮，小麦增产可缓解人口增长带来的粮食危机。氮元素作为植物生长发育所必需的一类营养元素，是制约农作物产量的重要因素。对作物氮素利用关键调控基因进行靶向编辑，是改良作物产量的有效策略。前期研究发现，水稻ARE1基因是调控氮素利用效率和产量的关键基因。ARE1基因在植物中高度保守，研究人员推测，对其它作物中ARE1基因的同源基因进行靶向编辑，有望获得氮高效材料。
中国科学院遗传与发育生物学研究所左建儒研究组、高彩霞研究组、李俊明研究组、中国科学院成都生物所王涛研究组合作，利用基因组编辑技术，对ARE1基因在小麦中的同源基因进行了定点编辑，获得了TaARE1基因不同变异的系列小麦are1材料。研究人员发现，TaARE1基因参与调控了小麦的耐低氮性。为明确TaARE1基因对小麦产量的影响，研究人员连续多年开展了田间小区试验。与对照材料相比，Taare1编辑材料具有明显的晚衰表型，其主穗粒数和氮素利用效率均显著增加。相应地，Taare1编辑材料的产量显著增加，且在低氮生长条件下的增产效果更明显（图 A-D）。该研究表明，靶向编辑ARE1同源基因是改良作物氮素利用效率和产量的有效方法。
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图：小麦are1突变材料增加氮素利用效率和产量。A: 对照材料科农199（KN199）和3份小麦are1突变材料在高氮（HN）和低氮（LN）生长条件下的植株表型。B–D: KN199和3份are1突变材料在高氮和低氮生长条件下的主穗粒数、氮素利用效率（NUE）和单株产量的统计分析。 |
该项研究成果于2021年7月19日在线发表于Journal of Genetics and Genomics (JGG)杂志（DOI:10.1016/j.jgg.2021.07.003）。遗传发育所博士后郭猛、王青和宗媛为该论文的共同第一作者，左建儒研究员和高彩霞研究员为该论文的共同通讯作者。相关工作得到国家农业农村部和植物基因组学国家重点实验室的资助。
