2022年12月8日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所/三亞南繁院作物精準(zhǔn)育種技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)邀在《植物學(xué)報(bào)（Journal of Integrative Plant Biology,JIPB）》在線發(fā)表綜述文章，重點(diǎn)回顧了堿基編輯器和引導(dǎo)編輯器的發(fā)展歷程及在農(nóng)作物改良中的應(yīng)用，提出了植物堿基編輯器和引導(dǎo)編輯器未來研發(fā)方向。

 

　　農(nóng)作物品種改良本質(zhì)是優(yōu)異等位基因的聚合，然而，由于基因連鎖效應(yīng)，在育種實(shí)踐中導(dǎo)入優(yōu)異等位基因往往需要經(jīng)過多年多代連續(xù)雜交和回交轉(zhuǎn)育，費(fèi)力耗時(shí)。CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)可以對(duì)靶基因進(jìn)行定點(diǎn)刪除、替換和插入，由于其操作簡(jiǎn)便、編輯效率高、多靶點(diǎn)編輯等優(yōu)勢(shì)，在基因功能研究及農(nóng)作物重要農(nóng)藝性狀改良方面展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。通常，農(nóng)作物品種間的差異只是等位基因間少數(shù)幾個(gè)堿基或小片段的差異，利用基因組精準(zhǔn)編輯技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)堿基替換、小片段替換或插入，快速、定向、高效創(chuàng)制農(nóng)作物新材料，進(jìn)而培育農(nóng)藝性狀優(yōu)良的農(nóng)作物新品種。

 

　　目前，CRISPR/Cas介導(dǎo)的基因組精確編輯技術(shù)主要有3種，包括同源重組技術(shù)（HDR）、單堿基編輯技術(shù)和引導(dǎo)編輯技術(shù)。由于植物細(xì)胞中CRISPR/Cas介導(dǎo)的HDR發(fā)生頻率低、特別是植物細(xì)胞中由于細(xì)胞壁的限制，無法高效將足量的修復(fù)模板遞送至雙鏈斷裂缺口附近，因此在植物中進(jìn)行HDR仍然具有挑戰(zhàn)性。與HDR相比，單堿基編輯和引導(dǎo)編輯技術(shù)不需要雙鏈斷裂缺口和外源供體修復(fù)模板的參與。單堿基編輯技術(shù)可以在靶區(qū)域精確地將一種堿基對(duì)突變成另一種堿基對(duì)。引導(dǎo)編輯技術(shù)可以在靶區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有類型的單堿基自由轉(zhuǎn)換和顛換以及小片段定點(diǎn)替換和插入。單堿基編輯和引導(dǎo)編輯技術(shù)的研發(fā)和利用，大大擴(kuò)展了植物基因組精確編輯的范圍和能力，為農(nóng)作物重要農(nóng)藝性狀精準(zhǔn)定向改良，提供了重要技術(shù)支撐。

 

　　該文首先詳細(xì)綜述了各種堿基編輯器和引導(dǎo)編輯器研發(fā)的最新進(jìn)展及其在農(nóng)作物遺傳改良中的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，該文推薦了目前在農(nóng)作物基因功能研究和遺傳改良中，幾種較為高效的堿基編輯器（圖1），如evoFERNY-CBE堿基編輯器（圖A），TadA9-ABE或者h(yuǎn)yTadA8e-ABE堿基編輯器（圖B），以及高效的引導(dǎo)編輯器如PEmax（圖D）和攜帶evopreQ1的pegRNA（圖E）組合。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合代理堿基編輯和引導(dǎo)編輯體系，可進(jìn)一步提高植物單堿基編輯和引導(dǎo)編輯效率。最后，該文提出了植物堿基編輯器和引導(dǎo)編輯器的未來優(yōu)化和改良方向，如縮小或拓展堿基編輯器的編輯窗口，開發(fā)適合于不同用途的堿基編輯器；通過引入單鏈退火蛋白等元件，開發(fā)更為高效的引導(dǎo)編輯器；開發(fā)引導(dǎo)編輯介導(dǎo)的大片段等位基因替換或插入技術(shù)體系等。

 

　　作科所/海南崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室博士后李晶瑩與助理研究員張臣博士為論文共同第一作者，夏蘭琴研究員為通訊作者。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院南繁育種專項(xiàng)、海南崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室和中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部基因編輯技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（海南）項(xiàng)目資助。

 

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1111/jipb.13425