基于BBCH尺度的CRISPR/Cas9突变Setaria viridis品系表型发育阶段精准鉴别研究

《Brain, Behavior, & Immunity - Health》：Phenological growth stages according to the BBCH-scale as a powerful tool for differentiating among CRISPR/Cas9 mutated lineages of the model plant Setaria viridis (L.) P. Beauv. (Poaceae)

本研究针对CRISPR/Cas9编辑的Setaria viridis突变体缺乏明显形态表型的问题，通过建立BBCH生长尺度量化分析体系，首次发现lwh基因突变会导致C4植物生活周期缩短5天，并精准识别出主生长阶段4/5/9的发育差异，为单子叶植物基因功能研究提供了高灵敏度表型分析工具。

　　

随着基因编辑技术的飞速发展，CRISPR/Cas9已成为植物功能基因组学研究的重要工具。然而在模式植物Setaria viridis（绿狗尾草）这类具有C₄光合作用途径的单子叶植物中，基因突变往往不产生肉眼可见的形态变化，这给基因功能研究带来了巨大挑战。传统表型观察方法难以捕捉细微的发育节奏变化，导致许多重要基因的功能被低估或遗漏。

为解决这一难题，巴西联邦大学里约热内卢分校植物生理学实验室的Nicia E. G. Junqueira团队创新性地将农学领域广泛使用的BBCH生物量标度系统引入基因编辑研究。该研究以ME034V野生型Setaria viridis为对照，系统比较了两个独立LONESOME HIGHWAY（LWH）基因突变体的完整生长发育过程。

研究团队主要运用了以下关键技术：基于CRISPR/Cas9的基因编辑技术构建稳定突变体；BBCH尺度标准化表型记录系统；在严格控制的环境条件下进行生长发育周期跟踪；统计学方法分析生长阶段差异显著性。

研究结果

生长阶段一致性分析

通过对比主要生长阶段（0-发芽、1-叶发育、2-侧枝形成、7-开花），发现野生型与突变体在基本发育进程上保持高度同步，说明LWH基因突变未引起胚胎发育严重缺陷。

次级生长阶段差异

在主要阶段的次级分期中，研究人员观察到突变体在叶片展开速率和分蘖角度等细微性状上存在可量化的差异，这些差异在传统观察中极易被忽略。

关键生长阶段变异

最显著的变异出现在主生长阶段4（营养生长）、5（花序形成）和9（衰老）。突变体特别是svlhw-1品系在这些关键转折点表现出发育加速现象。

生活周期缩短

svlhw-1突变体从萌发到成熟的生命周期较野生型缩短5天，这在生命周期仅60-70天的Setaria viridis中具有重要意义，可能影响其环境适应性。

讨论与结论

本研究证实BBCH尺度能够检测出传统方法无法识别的基因编辑效应。LWH基因作为调控植物发育节奏的关键因子，其突变虽不改变基本形态架构，但显著影响发育时序。该发现为理解C₄植物发育调控网络提供了新视角，建立的分析方法可推广至其他作物基因功能研究领域。由于实验在严格控温、控光和无菌条件下进行，观察到的表型差异可归因于遗传因素，排除了环境干扰。这项发表于《Brain, Behavior, 》的研究不仅建立了Setaria viridis基因编辑研究的新标准，更为精准农业和作物改良提供了重要的理论依据和方法学支持。