草原是我国最大的陆地生态系统，约占国土面积的41.7%，是耕地面积的三倍，也是提供肉奶、皮毛等物资的重要生产基地。近年来由于过度开发，我国90%的草原发生了不同程度的退化，因此对草原进行生态修复，提高草原生产力对于我国草牧业的发展以及保障粮食安全至关重要。羊草（Leymus chinensis）被称为“禾草之王”，是我国北方典型草原的多年生重要建群种。羊草耐逆性强、适口性好，其发达的地下根茎有助于防风固沙、保持水土，是兼具生态修复与饲用价值的优良草种。然而基因工程技术体系的匮乏使得羊草育种仍停留在较为原始的野外驯化及混合选育阶段，对羊草优良基因资源的挖掘与功能研究也难以深入。
中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士团队通过筛选羊草资源，获得了一个组培再生性强的羊草种质，并以此为底盘，建立了农杆菌介导的羊草遗传转化体系。通过筛选农杆菌菌株、优化培养基组合，并利用促再生因子TaWOX5，使转化效率达到了11%。为了进一步建立羊草基因编辑体系，研究团队首先开发了基因编辑效率的快速检验方法。该方法通过将Cas9与靶点sgRNA共同转染羊草原生质体，并利用PCR-RE技术对靶点进行检测，能够在两周内检验出候选靶点的基因编辑效率。随后团队以小麦GW2的同源基因LcGW2为靶点测试了羊草基因编辑系统，并成功得到了羊草基因编辑植株，编辑效率达到5.83%。最后，为了验证基因编辑技术在羊草性状改良方面的应用潜力，研究团队选择了影响植株分蘖的TB1在羊草中的同源基因LcTB1进行编辑，发现羊草Lctb1突变植株分蘖数和生物量均得到显著提高。
图. 羊草基因编辑体系的建立
本研究建立的羊草遗传转化和基因编辑体系不仅在羊草性状的快速改良方面具有广阔的应用前景，也为羊草优良基因资源的挖掘和功能研究提供了强有力的工具。该研究成果以“Efficient CRISPR/Cas9-mediated genome editing in sheepgrass (Leymus chinensis)”为题于2023年9月12日在线发表于Journal of Integrative Plant Biology杂志（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/jipb.13567）。中国科学院遗传发育所曹晓风团队助理研究员林哲龙博士和技术员陈磊为本论文第一作者，曹晓风院士和副研究员张率斌博士为本论文通讯作者。黑龙江省农科院草业所的申忠宝研究员及其团队也参与了本研究。中国科学院遗传发育所的高彩霞研究员与中国农科院作科所的叶兴国研究员也为本研究提供了建议和帮助。本研究得到了内蒙古自治区科技重大专项、中国科学院先导专项以及中国科学院青促会的资助。
