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育種技術(shù)創(chuàng)新團隊應(yīng)邀在《植物學(xué)報（Journal of Integrative Plant Biology,JIPB）》在線發(fā)表綜述文章，重點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，費力耗時。CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)可以對靶基因進行定點刪除、替換和插入，由于其操作簡便、編輯效率高、多靶點編輯等優(yōu)勢，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)幾個堿基或小片段的差異，利用基因組精準編輯技術(shù)可以實現(xiàn)定點堿基替換、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)。由于植物細胞中CRISPR/Cas介導(dǎo)的HDR發(fā)生頻率低、特別是植物細胞中由于細胞壁的限制，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突變成另一種堿基對。引導(dǎo)編輯技術(shù)可以在靶區(qū)域內(nèi)實現(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)藝性狀精準定向改良，提供了重要技術(shù)支撐。

 

　　該文首先詳細綜述了各種堿基編輯器和引導(dǎo)編輯器研發(fā)的最新進展及其在農(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hyTadA8e-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/海南崖州灣種子實驗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研發(fā)計劃、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院南繁育種專項、海南崖州灣種子實驗室和中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部基因編輯技術(shù)重點實驗室（海南）項目資助。

 

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