撰文 | Lemma
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2020年12月21日，美國東卡羅萊納大學的張寶紅和安陽工學院的彭仁海在Trends in Plant Science 期刊上發表一篇題為「Foxtail Millet: A New Model for C4 Plants」的熱點推薦文章(Spotlight)，該文章提出1）擬南芥和水稻是C3主要模式植物，但一直缺乏C4模式植物；2）最近的研究促進了穀子可能成為C4模式植物；3）隨著CRISPR/Cas技術的快速發展，這將為植物功能研究和作物改良開闢一個新的時代。
一個好的模式植物不僅為植物基因功能研究提供了工具和資源，而且可以加速作物改良和簡化農藝。近20年來，從擬南芥(Arabidopsis thaliana)到水稻(Oryza sativa)先後發展成為模式植物，不僅使許多生物學途徑的闡明成為可能，而且促進了植物遺傳的基礎和基因組功能的研究。然而，擬南芥和水稻都是C3植物，因此不能用於研究C4植物相關性狀，如通過Hatch-Slack途徑高效固定CO2等。雖然C4植物只佔開花植物種類的一小部分(~3%)，但它們佔了大約25%的陸地初級生產力和30%的全球農業糧食產量。這主要是因為C4植物的光合作用非常有效，能將空氣中的二氧化碳固定並轉化為碳水化合物；C4植物也普遍表現出較高的氮素和水分利用效率。
1. 穀子(Setaria italica；一年生草本)是世界上最古老的馴化作物之一，與其他植物，特別是作物相比，穀子具有許多優良性狀，包括耐非生物脅迫(如乾旱和鹽鹼)，易於耕作，肥料需求低，以及在貧瘠的土地上生長的能力。更重要的是，穀子是C4植物，它能將二氧化碳轉化為碳水化合物，具有比C3植物更高的光合效率。穀子有一個小的二倍體基因組約490 Mb和只有9對染色體。因此，穀子簡單基因組的研究和修飾在基礎研究和應用研究中都比較容易。
2. 最近的一項研究再次證實，穀子可以成為類似擬南芥的模式植物，用於研究植物遺傳學和農學的研究基礎和應用。研究人員成功地從一個大的突變群體(約2萬)篩選和鑑定了一個名為xiaomi 的突變。xiaomi 突變體顯示出的特性使其成為類擬南芥模式植物的一個很好的候選。
1）首先，xiaomi 突變體的生活周期較短，與野生型相比由130天左右縮短到70天，開花時間由82天縮短到39天。這種較短的生活周期使得該突變體更容易用於植物生長發育的基因功能研究。雖然新的突變系小得多，但它比野生型產生了更多的種子(高達12.8%)。
2）這些小體積、短生命周期和高種子產量的新特點使xiaomi 可以在實驗室中培養，甚至在標準生長室內每年進行多代培養。對於研究不同植物性狀的植物模型來說，這些特徵是完美的。3）此外，在這項研究中研究人員還對該突變進行了測序，並建立了包含全基因組信息的多組檢索資料庫和不同發育階段的轉錄組圖譜。所有這些遺傳和基因組數據，包括非編碼RNA表達譜，都是模式植物的重要資源。4）更重要的是，他們還開發了一種高效農桿菌介導遺傳轉化系統。穀子小米和獲得平均轉換與標記基因NPTII率為23.28%，相比較，轉換利率在當前模式物種,擬南芥和水稻。這些數據表明穀子小米是適合C4植物的種植模式。該模型將加速研究C4植物特有的特徵，如通過孵化鬆弛途徑固定CO2等。
3. 在過去的幾年中，穀子已經被用來研究一些重要的性狀。以穀子為模式植物，一項研究證明了下垂葉1 (DPY1)，一種富含亮氨酸重複序列(LRR)受體樣激酶，通過協調早期油菜素甾醇信號控制葉片結構，包括葉片下垂。DPY1過表達的植株有著更多的直立葉片數量，以及莖粗，圓錐花序大。DPY1在植物界中也是保守的。這表明DPY1具有研究植物結構和提高作物產量的潛力。
xiaomi 是植物光敏色素C (PHYC)基因的點突變，該基因編碼光受體，這對光周期開花至關重要。基因突變的產生和篩選是創造新種質的常用方法。在過去，這主要是通過化學(如EMS)和/或物理(如X-或γ-射線)誘變來實現的。然而，這些方法是費時、費錢和費力的。
最近開發的CRISPR/Cas9基因組編輯技術，包括鹼基編輯和素編輯，為創建所需的基因突變提供了一種強大的工具。CRISPR/Cas9是一種精確編輯目標基因的方法，可用於多種目的，包括沉默、過表達、調節和監測單個基因。CRISPR/Cas9已被廣泛用於創建人類遺傳疾病研究的多種動物模型。雖然在植物基因功能研究和作物改良方面已經取得了很大的進展，但利用CRISPR/ cas9介導的基因組編輯技術來建立遺傳模式的報導尚未見，但這種情況可能很快就會改變。現在，CRISPR/Cas9技術是對特定目的而開發模式植物的有效替代策略(圖1)。
圖1 利用CRISPR/Cas9基因編碼工具建立新的模式植物和突變庫
穀子xiaomi 突變體生活周期短，植株體積小，全基因組測序數據和高效的轉化方法，適合在分子、細胞、生化和生理水平上研究植物性狀。xiaomi 也可能成為研究農藝措施以及營養和脅迫生理學的模式。
然而，在xiaomi 成為研究植物性狀的遺傳模式之前，需要創建和/或開發不同性狀的遺傳突變。成熟的穀子轉化方法和新的CRISPR/ Cas9基因組編輯工具促進了xiaomi 成為新的模式植物，尤其是C4模式植物提供了堅實的基礎。通過開發CRISPR/ Cas9指導RNA庫，這可以實現快速獲得穀子適合研究不同性狀的遺傳突變。
擬南芥和水稻是目前的植物模型，不僅因為它們的生活周期短、體積小、轉化過程高效，還因為它們有大量的突變體庫可用。幾十年來，科學家們通過農桿菌T-DNA方法或化學誘變技術產生了這些突變體，用於不同的研究目的。新的CRISPR/Cas9技術現在允許在新的模式植物物種穀子中比以往任何時候都更快地創建大型突變體庫，以解決植物進化、發育和對環境因素的響應問題，特別是C4植物特有的性狀(圖1)。