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抗病育种是防治病虫害、减少农药使用的重要途径。传统的杂交抗病育种策略为粮食安全做出了重要贡献。随着抗病机制的不断解析以及转基因和基因编辑技术的不断发展，基因工程育种成为了抗病育种的另一重要策略。基因工程抗病育种需要解决两个重要问题：表达什么基因以及如何控制这些基因的表达。同时回答这两个问题将实现未知抗病相关基因的挖掘和基因表达的有效控制，加速抗病育种进程。
近日，武汉大学胥国勇教授团队和华中农业大学袁猛教授团队合作在Science China Life Sciences期刊在线发表题为Engineering disease-resistant plants with alternative translation efficiency by switching uORF types through CRISPR的研究论文。该研究开发了选择性核糖体印迹技术（selective-Ribosome Footprinting），发现切换uORF类型可以调节下游mORF基因的翻译效率，利用CRISPR介导的Indel和Base Editing技术实现了全基因组uORF类型“从无到有，从有到无、到不一样”的有效切换，筛选发现抑制水稻plastic glutamine synthetase 2 翻译效率可以获得抗多种水稻病害的种质资源。
该研究通过切换拟南芥TBF1的uORF类型，发现了uORF-free、Type1、Type2型uORF对TBF1翻译效率的梯度抑制作用。基于该现象，该研究利用CRISPR技术开发了一种“uORF类型转换系统（CRISPR-aTrE-uORF）”，其中包括uORF生成、uORF去除和uORF类型转变，利用该系统可以生成具有可变翻译效率（alternative translation efficiency）的uORF突变体。利用该策略在水稻中进行了CRISPR-aTrE-uORF 的实践，共筛选出了19个抗病相关基因，为水稻抗病育种提供了更多的基因资源。
此外，该研究中筛选到的某些uORF突变体在提高抗病性的同时并不影响生长，例如将谷氨酰胺合成酶2基因本身的Type1 uORF切换为Type2 uORF增加了对GS2的翻译抑制作用，可以在不损害植株生长的前提下提高水稻的广谱抗病能力，表明该策略可以同时实现未知抗病相关基因的挖掘和表达水平的有效控制。全基因组分析发现该策略可能对水稻、油菜、大豆、棉花、苜蓿、番茄、土豆、小麦和玉米等作物的重要农艺性状相关基因的挖掘与表达调控都有效。
CRISPR-aTrE-uORF 示意图
华中农业大学博士研究生田晶晶和武汉大学博士研究生唐枝娟、牛瑞霞为该论文共同第一作者。武汉大学胥国勇教授和华中农业大学袁猛教授为共同通讯作者。相关工作得到国家重点研发计划、湖北洪山实验室重大项目、湖北省重点研发项目、国家自然科学基金委等资助。
引用本文：
Jingjing Tian, Zhijuan Tang, Ruixia Niu, Yulu Zhou, Dan Yang, Dan Chen, Ming Luo, Rui Mou, Meng Yuan and Guoyong Xu. (2024). Engineering disease-resistant plants with alternative translation efficiency by switching uORF types through CRISPR. Science China Life Science.
https://doi.org/10.1007/s11427-024-2588-9