CRISPR/Cas9介导的BnVTC2基因上游开放阅读框编辑增强油菜非生物胁迫抗性且不减产

为解决油菜非生物胁迫抗性提升与产量矛盾的难题，中国农业科学院油料作物研究所团队通过CRISPR/Cas9技术靶向编辑BnVTC2基因上游开放阅读框(uORF)，成功创制出抗寒、耐盐、抗旱且维生素C含量提升2-3倍的油菜新种质。该研究首次在异源四倍体作物中证实uORF编辑可协同提升营养品质与胁迫抗性，为作物精准育种提供新范式。

　　

在气候变化加剧的背景下，作物面临日益严峻的低温、干旱和盐碱等非生物胁迫挑战。油菜作为全球重要的油料作物，其生产稳定性受到严重威胁。传统育种方法通过过表达胁迫相关基因虽能提高抗性，但往往导致生长抑制或产量损失，这一矛盾被研究者称为"抗性-产量权衡"困境。与此同时，油菜作为"油蔬两用"作物，其营养品质提升也备受关注，其中维生素C(AsA)既是重要营养素，又是清除活性氧(ROS)的关键抗氧化剂。如何在不影响产量的前提下协同提升油菜抗逆性与营养价值，成为亟待解决的重大科学问题。

中国农业科学院油料作物研究所Mengyu Hao、Yilin Li等研究人员将目光投向基因翻译调控的关键元件——上游开放阅读框(uORF)。这类位于mRNA 5'端的调控序列可通过阻碍核糖体行进来抑制下游主开放阅读框(mORF)的翻译效率。前期研究表明，拟南芥中VTC2基因(编码L-半乳糖-1,4-内酯脱氢酶)的uORF可调控AsA合成，但其在异源四倍体油菜中的功能尚属空白。研究团队创新性地提出假说：通过CRISPR/Cas9编辑BnVTC2的uORF可能解除翻译抑制，从而提升AsA水平并增强多重抗性。

研究采用整合核糖体测序(Ribo-seq)与全长cDNA数据的策略，首次在油菜中鉴定出BnVTC2基因的uORF。通过设计特异性sgRNA，成功构建靶向A01和C01染色体同源基因uORF的CRISPR/Cas9载体。利用农杆菌介导的遗传转化获得32株T₀代突变体，经Sanger测序鉴定出8株在目标位点存在插入缺失突变的个体。研究还从2311份油菜种质资源数据库(BnIR)中获取群体数据，分析uORF自然变异情况。

关键研究发现包括：在幼苗叶片中，双等位突变体(如VC1-12)的AsA含量达1894 mg/kg，较野生型(330 mg/kg)提升近5倍；花蕾中AsA含量提升至1790 mg/kg，显著高于对照的1016 mg/kg。通过双荧光素酶报告系统证实，uORF编辑使翻译效率提升2-4倍，而mRNA水平未发生显著变化。在8°C低温条件下，突变体96小时发芽率达50%，显著高于野生型的11%。125 mM NaCl处理两周后，突变体鲜重(0.68 g)是对照组(0.25 g)的2.7倍。干旱复水实验显示突变体存活率(60%)较对照(40%)显著提高。尤为重要的是，田间试验表明uORF编辑未导致产量性状显著变化，角果长度甚至有所增加。

序列分析揭示BnVTC2-uORF在芸薹属作物中高度保守。在甘蓝(B. oleracea)和白菜(B. rapa)中人工模拟的uORF突变使翻译效率分别提升7.88倍和3.14倍。群体遗传学分析发现，在2516份油菜种质中，98.6%个体保持uORF保守单倍型，自然变异率极低，说明基因编辑是实现该性状突破的有效途径。

这项发表在《Plant Stress》的研究具有多重重要意义：首次在异源四倍体作物中实现uORF精准编辑，证实翻译调控可作为作物改良的新维度；创制出全球首例兼具高AsA含量与多重抗性的油菜新种质，验证了"抗性-产量协同提升"的可行性；建立的uORF编辑策略可推广至甘蓝、白菜等十字花科蔬菜，为营养强化育种提供通用方案。该研究为应对气候变化下的作物稳产需求提供了创新思路，展现出基因组编辑技术在农业可持续发展中的巨大潜力。