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【种图家知识库】植物育种技术突破，实现植物跨物种的远距离基因编辑

花匠小妙招
2024-11-13 05:21

粮食安全一直是关系到我国经济发展和社会稳定的重大战略问题。对作物高产稳产优质的重要农艺性状进行传统育种和分子设计育种，一直是科研工作者和育种专家进行作物遗传改良的主要手段。利用 CRISPR/Cas9系统的高精度植物基因组编辑技术引入有益的基因功能或消除基因功能中的不利方向的研究取得了突飞猛进的进展。尽管CRISPR/Cas9在植物育种方面迈出了巨大的一步，这种基于遗传转化的基因编辑技术既昂贵又费时费力，从而使其不适用于大多数重要农作物。德国马克斯·普朗克分子植物生理学研究所的一组科学家最近的研究克服了这些限制。这项技术可以简化和加速发展新的，基因稳定的商业作物品种。

北京时间2023年01月03日， Nature Biotechnology 在线发表了来自马克斯·普朗克分子植物生理学研究所（MPIMP）Friedrich Kragler课题组题为“Heritable transgene-free genome editing in plants by transfer of Cas9 and gRNA transcripts from transgenic donor rootstocks to grafted wild-type shoots”的研究。通过使用移动tRNA和CRISPR工具(也称为“基因剪刀”)，该研究将嫁接与“移动”CRISPR编辑工具相结合，实现了植物跨物种的远距离基因编辑。

RNA作为CRISPR载体

商业化作物生产需要进行遗传结构稳定，不能同时包含外源CRISPR/Cas9以及一些其他抗性的基因序列。通常，这可以通过多代异交或通过繁琐的再生过程来实现。两者之间都是我们需要资源浪费企业大量工作时间和金钱的，在许多农作物中都是尤其困难的，甚至是不可能的。Friedrich Kragler研究员领导的科学团队着手改变这一状况。作为欧盟资助的 PLAMORF 项目(ERC)和德国研究部门资助的概念验证(BMBF)项目的一部分，他们正在研究 RNA 从根到芽的转运序列。研究小组鉴定了一系列 tRNA 样序列(TLS) ，它们作为 RNA 信号在植物中长距离移动。该项工作的第一个创新是把这一发现与CRISPR/Cas9基因组编辑系统相结合，将这种可移动的TLS元件融合到CRISPR/Cas9序列中，使植物产生“移动”版本的CRISPR/Cas9 RNA。然后，将非转基因、未修饰的野生型接穗嫁接到含有可移动 CRISPR/Cas9 RNA 的植物根部，然后从根部移动到芽部，最终进入产种花。杨磊博士进行解释说：“魔法世界种子就孕育在花朵里！”。“CRISPR/Cas9 RNA进入信息并转化为自己相应的蛋白质，在这里我们真正变成了‘基因水平剪刀’发挥社会功能。移动CRISPR\u002FCas9系统可以编辑花中的植物DNA，但由于CRISPR\u002FCas9基因序列没有移动，因此没有整合到接穗基因组中。因此，从这些花发育的种子经历了所需的非转基因基因编辑。（图1）

多种作物的编辑系统

这个新的基因编辑系统更令人兴奋的是能够结合不同物种并进行跨物种基因编辑的可能性。该项工作的第二个创新就是把这种可移动基因编辑成功应用到拟南芥（Arabidopsis thaliana）与白菜型油菜（Brassica rapa）跨物种嫁接中。该小组将野生油菜嫁接到易于转化的拟南芥上作为根茎，转基因根茎表达 Cas9和 GRNA 转录物并转运到野生型接穗以编辑目标基因(图2)。令人鼓舞的是，弗里德里希 · 克拉格勒的研究小组成功地找到了一株经过编辑的白菜属植物。杨磊博士进一步总结道:“新型移动基因编辑系统为未来的分子精确设计和育种搭建了快速高效的通道，为农作物重要农艺性状的研究和农作物的遗传改良提供了有力的技术支持。

注：杨磊博士（现河北农业大学特聘教授）与Frank Machin博士（现爱丁堡大学研究员）为改论文共同第一作者，Friedrich Kragler研究员为论文通讯作者。此工作由欧盟资助的PLAMORF项目（ERC）和德国研究部资助的概念验证项目（BMBF）资助完成。

论文原文PDF下载: https://www.nature.com/articles/s41587-022-01585-8

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