REVISI DOKUMEN KONSENSUS BIOLOGI PADI (ORYZA SATIVA L.)
Tidak diklasifikasikan
Gen resistensi antibiotik umumnya digunakan sebagai penanda seleksi. Awalnya, seleksi dengan kanamisin digunakan dengan gen neomisin fosfotransferase II (NPT-II) , tetapi efisiensi seleksi tidak mencukupi, dan kemudian genetikin (G418), yang resistensinya dapat diberikan oleh gen NPT-II , digunakan. Karena sistem ini lebih andal, seleksi berdasarkan resistensi higromisin menggunakan gen higromisin fosfotransferase (HPT) menjadi lebih umum.
Selanjutnya dilakukan seleksi menggunakan resistensi glifosat dengan modifikasi gen 3-fosfoshikimate-1-
carboxyvinyltransferase (mEPSPS) , menggunakan resistensi glufosinat dengan modifikasi fosfinotrikin asetiltransferase (Christou, Ford dan Kofron, 1991), atau menggunakan garam bispyribac dengan modifikasi asetolaktat sintase
(mALS). gen juga telah dikembangkan (Li, Hayashimoto dan Murai, 1992). Seleksi dengan toleransi herbisida efisien dan menghasilkan padi baru yang tidak terpengaruh herbisida.
Metode transformasi baru, pemboman partikel, kemudian diterapkan (Christou, Ford dan Kofron, 1991). Dalam metode ini gen asing dimasukkan langsung ke dalam kalus yang berasal dari sel dengan kemampuan berdiferensiasi ulang yang tinggi, seperti scutellum. Dengan menggunakan metode ini, efisiensi regenerasi lebih tinggi dibandingkan dengan protoplas, dan variasi somaklonal pada tanaman yang beregenerasi cenderung ditekan jika dibandingkan dengan variasi somaklonal pada tanaman yang beregenerasi.
Pada awal penelitian teknologi transformasi, produksi beras transgenik lebih sulit dibandingkan tanaman lainnya. Hal ini disebabkan karena Agrobacterium tidak menginfeksi tanaman monokotil dan bukan merupakan patogen pada tanaman padi. Oleh karena itu, transformasi beras memerlukan metode fisik seperti elektroporasi (Zhang et al., 1988;
Shimamoto et al., 1989) dan PEG (metode polietilen glikol)
Setelah memasukkan gen asing ke dalam sel/jaringan padi, diperlukan sistem seleksi untuk sel yang ditransformasi.
Sasaran teknologi transformasi adalah penyisipan gen penanda untuk mengembangkan sistem transformasi yang efisien pada periode penelitian awal, namun secara bertahap beralih ke penelitian untuk pengenalan sifat-sifat praktis yang diperkenalkan pada tanaman lain, seperti ketahanan serangga dan ketahanan herbisida. . Penelitian selanjutnya mengenai padi telah diperluas ke sifat-sifat pertanian lain yang berguna seperti ketahanan terhadap penyakit, toleransi terhadap tekanan lingkungan, hasil tinggi dan peningkatan kualitas. Selain itu, makanan fungsional dengan kandungan komponen bermanfaat yang tinggi atau tanaman rekayasa genetika untuk keperluan medis juga telah dilaporkan.
Contoh penelitian yang dilaporkan dalam literatur ilmiah disajikan pada paragraf berikut. Belum ada budidaya komersial contoh transgenik ini yang dilakukan pada saat penulisan artikel ini (2018).
(Toriyama et al., 1988; Zhang dan Wu, 1988), yang diterapkan pada protoplas. Meskipun transformasi protoplas telah digunakan, cukup sulit untuk meregenerasi tanaman padi dari protoplas tersebut, dan terjadinya banyak variasi somaklonal merupakan masalah serius lainnya.
Langkah penting berikutnya adalah penerapan metode Agrobacterium dengan Super Binary Vector untuk transformasi padi (Hiei et al., 1994). Setelah penelitian ini dipublikasikan, strain Agrobacterium, kondisi kultur, dan penanda seleksi diselidiki dan efisiensi transformasi ditingkatkan (Toki et al., 2006). Saat ini padi banyak digunakan dalam percobaan tanaman monokotil sebagai tanaman monokotil yang paling mudah bertransformasi. Keunggulan metode
Agrobacterium adalah efisiensi transformasinya yang tinggi dan akurasi penyisipan konstruksi gen pada plasmid jika dibandingkan dengan metode fisik, serta jumlah salinan yang diintroduksi cenderung lebih sedikit dibandingkan metode lainnya.
Oleh karena itu, upaya penelitian yang signifikan telah dilakukan terhadap pengembangan galur padi transgenik yang menunjukkan ketahanan terhadap virus-virus penting secara agronomi, antara lain penyakit blas padi, penyakit hawar daun (Kathuria et al., 2007). Penelitian tentang mekanisme resistensi penyakit pada padi telah mengarah pada identifikasi beberapa jalur yang melibatkan asam salisilat (SA) (Takatsuji, 2014). Tanaman transgenik padi yang mengekspresikan
WRKY45 secara berlebihan, yang diaktifkan oleh sinyal SA, sangat tahan terhadap penyakit ledakan padi, yang menunjukkan bahwa WRKY45
(Podevin et al., 2013), serta diterapkan untuk menginduksi penataan ulang kromosom (Beying et al., 2020; Schwartz et al., 2020), perubahan epigenetik, dan hasil lain yang serupa terjadi di alam. Beras
Pangan fungsional kesehatan atau kegunaan medis: Pengembangan beras fungsional untuk meningkatkan kesehatan manusia atau mengubah beras untuk keperluan medis melalui induksi toleransi usus telah diselidiki (Wakasa dan Takaiwa, 2013; Takaiwa et al., 2015; Shabir et al., 2015). Beras cedar pollen (Takagi et al., 2005), beras anti kutu (Suzuki et al., 2011), dan beras anti rematik (Iizuka et al., 2014) dapat menginduksi toleransi kekebalan mulut dan beras cedar pollen Jepang sedang mengalami peningkatan. penelitian klinis di beberapa rumah sakit. Contoh galur padi yang dapat memberikan fungsi kesehatan dengan peptida fungsional termasuk beras pengatur tekanan darah (Yang et al., 2006; Wakasa et al., 2011) dan beras pengatur gula darah (Sugita et al., 2005). Selain itu, keamanan dan stabilitas vaksin oral berbahan dasar beras yang disebut MucoRice-CTB juga telah dibuktikan (Azegami et al., 2015).
Teknologi pengeditan genom mewakili era baru peningkatan tanaman di luar batas metode pemuliaan tradisional. Di antara kegunaannya, pengeditan genom dapat memodifikasi urutan DNA tertentu pada posisi yang diinginkan dalam genom, termasuk tiga kategori (Site-Directed Nuclease (SDN)-1, SDN-2 dan SDN-3)
Ketahanan terhadap penyakit dan hama: Dalam produksi pertanian, sifat-sifat ketahanan terhadap hama sangatlah penting.
Perubahan gizi: Beras merupakan salah satu tanaman pangan yang paling banyak dikonsumsi, sehingga penambahan beras yang bergizi tinggi dapat berkontribusi pada peningkatan status gizi masyarakat di daerah yang gizinya rendah. Beras yang diperkaya pro-vitamin A, yaitu 'Beras Emas', adalah contoh transgenik yang terkenal (Ye et al., 2000; Paine et al., 2005). Dalam penelitian transgenik, gen sintesis feritin kedelai (Vasconcelos et al., 2003) dan gen sintesis laktoferin manusia (Nandi et al., 2002) diperkenalkan ke dalam beras dan terbukti memperkaya kandungan zat besi dan sengnya. Beras transgenik dengan kandungan asam amino spesifik yang ditingkatkan seperti glisin (Lapitan et al., 2009), lisin (Wu, Chen dan Folk, 2003), triptofan (Tozawa et al., 2001) dan sistein (Lee et al., 2003) , juga telah dilaporkan.
2018; Fiaz dkk. 2019) (Tabel 10).
Hasil: Hasil panen padi ditingkatkan dengan memperbaiki komponen hasil. Zhang dkk. (2017) sebelumnya telah memproduksi padi dengan hasil tinggi dengan memanfaatkan regulator negatif komponen hasil seperti GS3, GS5, DEP1, GW2, Gn1, dan TGW6. Ko-mutan GW2, GW5, dan TGW6 melaporkan peningkatan berat 1.000 butir sebesar 29,3% (Xu et al., 2016).
Tanggal pos juga merupakan karakteristik penting untuk hasil dan
Selain itu, gen Cry (pengkode Cry1A, Cry1B, Cry1C, Cry1Ab, dan Cry9B) telah diperkenalkan untuk memberikan ketahanan terhadap hama Lepidopteran, dan GNA, yang memberikan ketahanan terhadap hama Hemipteran termasuk wereng (Shabir et al., 2015).
pengeditan dikumpulkan terutama dengan informasi dari makalah ilmiah hingga 2019 (Mishra, Joshi dan Zhao,
Genomik komparatif, khususnya dalam keluarga Poaceae, telah berkontribusi pada pemahaman biologi tanaman serealia dan evolusi genom, serta penelitian dan strategi peningkatan tanaman tingkat lanjut.
memberikan sistem model yang sangat baik untuk menyelidiki berbagai sifat penting secara agronomi. Pada saat yang sama, karena pentingnya padi sebagai tanaman pangan, teknologi penyuntingan genom diharapkan dapat digunakan untuk modifikasi yang menghasilkan sifat-sifat komersial. Tinjauan tidak lengkap mengenai hasil genom padi
memainkan peran sentral dalam menginduksi resistensi terhadap jamur dan bakteri berfilamen (Shimono et al., 2007).
Kemampuan transformasi yang efisien, dikombinasikan dengan genom diploid yang kecil dan ketersediaan sumber daya genetik dan genom, telah menyebabkan penggunaan padi sebagai model spesies tanaman monokotil.
Nasi yang diedit genom
(Li, X. dkk., 2017). Lacchini dkk. (2020) berupaya menghasilkan tipe kerdil dengan memodifikasi HTD1 dan meningkatkan hasil dengan memperkenalkan tiga gen (GN1A, GS3 dan GW2).
Kemandulan Jantan dan pemulihan kesuburan: Garis steril dan restorasi jantan adalah bahan utama untuk pemuliaan hibrida. Sistem CRISPR/Cas9 diterapkan untuk mengembangkan galur steril jantan padi. Kemandulan pria genik termosensitif disebabkan oleh knockout gen TMS5 (Zhou et al., 2016; Barman et al., 2019; Li, S. et al., 2019). Kemandulan pria genik fotosensitif juga dikembangkan melalui mutagenesis gen CSA (Li, Q. et al., 2016).
Kesuburan dipulihkan melalui mutasi yang terjadi di wilayah promotor gen RMS pada garis steril sitoplasma pria (Sukemoto, Kazama dan Toriyama, 2020). Kazama dkk. (2019) menunjukkan bahwa TALEN memediasi mutagenesis gen mitokondria, orf79, memulihkan kesuburan sterilitas sitoplasma pria.
tanggal judul telah berubah secara signifikan pada mutan target dari tiga gen utama (Hd2, Hd4, dan Hd5)
Toleransi herbisida: Mutasi diperkenalkan pada gen ALS untuk membudidayakan padi toleran herbisida (Li, T.
et al., 2016; Sun, Y. et al., 2016). Li dkk. (2016) mencapai toleransi yang tinggi dengan memperkenalkan mutasi titik ganda pada OsALS. Selain itu, Sun dkk. (2016) memperkenalkan mutasi beberapa titik pada gen ALS melalui rekombinasi homolog.
Editor dasar telah digunakan di banyak tanaman, termasuk padi (Gao, 2021). Pengeditan genom telah berhasil dilakukan pada rice dengan menggunakan kombinasi pengenalan PAM karakter tunggal dan editor dasar (Endo et al., 2019).
Kualitas dan fungsionalitas: SBEI dan SBEIIb telah dihilangkan untuk menghasilkan beras dengan amilosa tinggi (Sun et al., 2017), dan beras asam oleat tinggi (Abe et al., 2018) diproduksi dengan mengganggu gen FAD2 .
Memperluas kotak alat pengeditan genom: SpCas9 digunakan secara luas, tetapi situs target dibatasi oleh rangkaian motif protospacer-adjacent motif (PAM) yang disebut -NGG. Oleh karena itu, pemanfaatan CRISPR/
Cpf1 dan CaCas9 yang memiliki rangkaian PAM berbeda telah dieksplorasi. Selain itu, SpCas9 dirancang untuk mengenali karakter tunggal (-NG) dan dikembangkan untuk menghilangkan batasan rangkaian PAM yang terdiri dari banyak basis (Nishimasu et al., 2018). Selain itu, editor dasar telah dikembangkan sebagai pendekatan lanjutan yang memungkinkan konversi langsung dan tidak dapat diubah dari satu basis target ke basis target lainnya tanpa memerlukan pemutusan untai ganda atau templat donor (Komor et al., 2016; Nishida et al., 2016) . Resistensi penyakit: Protein pengikat bakteri di wilayah promotor OsSWEET14 dihancurkan untuk memberikan resistensi terhadap penyakit hawar daun (Li, T. et al., 2012). Demikian pula, OsSWEET13 telah dimodifikasi oleh CRISPR/Cas9 untuk mencegah efek Transcription Activator-Like (TAL) (Zhou et al., 2015). Mutagenesis yang menargetkan faktor transkripsi ERF OsERF922 menyebabkan resistensi terhadap ledakan (Wang et al., 2016).
Upaya telah dilakukan untuk mengurangi infektivitas rice tungro spherical virus (RTSV) dan rice tungro bacilliform virus (RTBV) dengan mengganggu urutan penting terjadinya infeksi (Macovei et al., 2018). Hal ini menyiratkan bahwa varietas tahan hama tanaman dapat dibiakkan dengan mengubah urutan penting infeksi hama tanaman atau regulator negatif ketahanan penyakit.
Penargetan: Melalui penargetan, melalui seleksi positif-negatif selain penghentian gen, visualisasi ekspresi gen endogen akan dimungkinkan melalui penghentian gen penanda yang terlihat (Yamauchi et al., 2009). Selain itu, modifikasi gen target yang tepat dapat diterapkan pada analisis fungsional terperinci dan pemuliaan molekuler pada padi.
Tidak diklasifikasikan
REVISI DOKUMEN KONSENSUS BIOLOGI PADI (ORYZA SATIVA L.)
Tabel 10. Daftar modifikasi gen melalui penyuntingan genom pada padi (hingga 2020)
Catatan: Tabel ini memberikan contoh gen yang telah dimodifikasi melalui penyuntingan genom pada beras, dan bukan merupakan daftar yang lengkap.
CRISPR/Cas9 OsNramp5
CRISPR/Cas9
Karotenoid- diperkaya LOX3
Peningkatan pertumbuhan dan produktivitas
SBEIIb dan SBEI
Toleransi kekeringan
Pemulihan sterilitas sitoplasma pria Peningkatan jumlah anakan
BEL
Sukemoto, Kazama dan Toriyama (2020) Tang dkk. (2017) BURUK2
Blanvillain-Baufumé dkk.
(2017)
Wang dkk. (2016)
TMS5
Perbaikan jumlah gabah, arsitektur malai, ukuran butir, dan arsitektur tanaman
Akumulasi Cd rendah
CRISPR/Cas9 OsEPFL9
Gen yang ditargetkan
Yang dkk. (2017)
OsNRAMP5 Toleransi stres
abiotik
Garis steril jantan yang dikontrol fotoperiode CRISPR/Cas9
OsERF922
Lou dkk. (2017)
Li, Q. dkk. (2016) OsBADH2
Zhou dkk. (2015)
Tahan herbisida
Produksi hibrida
Varietas padi yang berumur genjah
TALEN
NRT1.1Bgen
CRISPR/Cas9 Peningkatan hasil
dan kualitas
Matahari dkk. (2017)
OsSAPK2
CRISPR/Cas9
Yin dkk. (2017) CRISPR/Cas9
Peningkatan ketahanan terhadap coretan daun bakteri
Shimatani dkk. (2017)
Li, S. dkk. (2019) PYL
Li, T. dkk. (2012)
Tahan herbisida
Mengatur penuaan dan kematian Peningkatan berat gabah
TALEN
CRISPR/Cas9
Penuaan dan kematian
Referensi
meningkatkan akumulasi -karoten dalam endosperma beras
TALEN
Dong dkk. (2020)
CRISPR/Cas9 CRISPR/Cas9
TALEN
Matahari, Y dkk. (2016)
Barman dkk. (2019) CCD7
Tang dkk. (2017)
Pengeditan dasar
Tahan herbisida
Toleransi penyimpanan yang ditingkatkan
TALEN
CRISPR/Cpf1
Efisiensi penggunaan nitrogen
Fungsi molekuler
OsCCD4a, OsCCD4b, dan OsCCD7
CRISPR/Cas9
GR1, GR2
Strategi
TALEN
Os09g29100
Li, T. dkk. (2016)
Zhou dkk. (2016) IPA1
Peningkatan resistensi terhadap penyakit hawar bakteri
Tahan glifosat
Zong dkk. (2017) Li, M. dkk. (2016)
CRISPR/Cas9
CRISPR/Cas9
Pengeditan dasar CRISPR/Cas9
OsCYP97A4, OsDSM2,
CRISPR/Cas9
Oleat tinggi/linoleat rendah
Shao dkk. (2017)
Bab 287
Kemandulan pria yang sensitif terhadap suhu
Li, J. dkk. (2016) Gn1a, DEP1, GS3 dan
Peningkatan resistensi terhadap penyakit hawar bakteri
Tahan herbisida
Lu dan Zhu (2017) Li, X. dkk. (2017)
OsSWEET13
CRISPR/Cas9
CRISPR/Cpf1 CRISPR/Cas9
Peningkatan Mutu SBE1 dan SBEIIb
CRISPR/Cas9
Pembuatan biosintesis karotenoid/pati beras amilosa tinggi
Shan dkk. (2015)
ALS
Abe dkk. (2018)
RMS
Hd2, Hd4, dan Hd5
Peningkatan resistensi terhadap penyakit hawar bakteri
Peningkatan resistensi terhadap penyakit ledakan
Meningkatkan efisiensi penggunaan nitrogen
Xu dkk. (2016)
OsSWEET13
Kepadatan stomata
CRISPR/Cas9 GW2, GW5, dan TGW6 CRISPR/Cas9
Beras amilosa tinggi dengan aroma yang ditingkatkan
OsFAD2 Perbaikan
nutrisi
Orf79 (mitokondria)
Miao dkk. (2018)
OsAL
Li dkk. (2018)
CSA
CRISPR/Cas9
Toleransi stres biotik
OsCDC48
Ma dkk. (2015)
OsSWEET13
Pengeditan dasar
Mengatur kepadatan stomata daun TALEN
Aroma yang ditingkatkan
OsPDS dan OsSBEIIb
Kandungan kadmium rendah
TALEN
Bokong dkk. (2018)
OsEPSPS
Matahari dkk. (2017)
Pemulihan sterilitas sitoplasma pria Kazama dkk. (2019) CRISPR/Cas9
Cai dkk. (2017)
Xu dkk. (2014)