植物基因編輯的一個關(guān)鍵步驟是將Cas9蛋白和sgRNA遞送到植物細胞中發(fā)揮作用，目前植物中的遞送方式主要有農(nóng)桿菌和基因槍轉(zhuǎn)化兩種，均需要通過較長時間的組織培養(yǎng)和再生才能夠獲得完整的突變體植株。然而，組織培養(yǎng)和再生仍是植物基因編輯的限速步驟，對于一些單子葉植物，尤其是對于包含龐大且復(fù)雜的六倍體基因組的普通小麥，其基因組編輯尤為困難。開發(fā)出無須組織培養(yǎng)且不受基因型限制的遞送系統(tǒng)是植物基因組編輯需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

 

　　中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞團隊和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)李大偉團隊合作，開發(fā)出基于大麥條紋花葉病毒（BSMV）的sgRNA遞送載體系統(tǒng)——BSMV-sg，在小麥中建立了高效、可遺傳、不需要組織培養(yǎng)的基因組編輯遞送系統(tǒng)。該研究將sgRNA搭載到BSMVγ上構(gòu)建出BSMVγ-sg系統(tǒng)，通過利用移動RNA元件（mAtFT、mTaFT以及tRNA）對sgRNA進行修飾，以期促進BSMV病毒向分生組織細胞的移動能力來提高可遺傳的編輯效率。結(jié)果表明，不修飾的BSMVγ-sg對小麥葉片中具有較高的侵染能力和編輯活性。進一步將BSMV-sg系統(tǒng)對三個小麥Cas9表達品種的三個基因分別進行編輯，研究人員發(fā)現(xiàn)，BSMV-sg均能夠在病毒侵染植株的后代獲得高效的可遺傳突變，效率為12.9%-100%，且純和突變體效率為1.6%-7.7%。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，超過53.8%的突變體后代均不含病毒（virus-free）。通過混合含有多個靶點的BSMV-sg農(nóng)桿菌并侵染小麥，可實現(xiàn)多基因編輯。最后，研究人員將BSMV-sg侵染的Cas9轉(zhuǎn)基因小麥花粉與野生型小麥進行雜交，在F2代可獲得不含Cas9（Cas9-free）的突變體后代。BSMV-sg介導(dǎo)的小麥基因組編輯遞送系統(tǒng)具有高效、低成本、無須組織培養(yǎng)和再生過程的特點，可應(yīng)用于小麥大規(guī)模和高通量基因組編輯，為小麥功能基因研究和分子設(shè)計育種提供了重要的技術(shù)支持。

 

　　該項研究成果于7月14日在線發(fā)表于Molecular Plant（DOI:10.1016/j.molp.2021.07.010）。該研究得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（A類）、國家自然科學(xué)基金、農(nóng)業(yè)生物技術(shù)國家重點實驗室開放課題和中科院青年創(chuàng)新促進會的支持。

　　圖：BSMV介導(dǎo)的高效小麥基因編輯遞送系統(tǒng)。A.BSMV基因組編輯載體示意圖；B.BSMV-sg介導(dǎo)的小麥基因組編輯流程示意圖；C.BSMV-sg實現(xiàn)高效的可遺傳編輯；D.BSMV-sg誘導(dǎo)小麥TaPDS靶基因突變并呈現(xiàn)葉片白化表型