馬克斯·普朗克分子植物生理學研究所的科學家們在《Nature Biotechnology》發(fā)文，正將CRISPR工具(又名“基因剪刀”)的突破性進展用于編輯植物基因組，這標志著方法上的變化。通過將嫁接與“移動”CRISPR工具相結(jié)合，這一發(fā)現(xiàn)可以簡化和加速新型、基因穩(wěn)定的商業(yè)作物品種的開發(fā)。

未經(jīng)修改的芽被嫁接到含有可移動CRISPR/Cas9的根上，這允許基因剪刀從根移動到芽上。它在那里編輯植物DNA，但不會在下一代植物中留下自己的痕跡。這一突破將節(jié)省時間和金錢，規(guī)避目前植物育種的限制，并有助于多種作物的可持續(xù)糧食解決方案。

養(yǎng)活全世界的許多作物已經(jīng)受到高溫、干旱和植物病蟲害的威脅，而氣候變化正進一步加劇這些因素。為了在具有挑戰(zhàn)性的條件下確保這些重要植物在未來獲得高效和有效的作物產(chǎn)量，可以使用CRISPR/Cas9系統(tǒng)高精度編輯植物基因組，以引入有益的基因功能或去除不利的基因功能。盡管CRISPR/Cas9是植物育種的巨大進步，但它仍然是一種昂貴而費力的解決方案，使其在大多數(shù)植物中應(yīng)用不可行。德國馬克斯·普朗克分子植物生理學研究所的科學家團隊最近取得的進展克服了這些限制。

RNA作為CRISPR載體

商業(yè)作物植物需要在基因上是穩(wěn)定的，它們不能包含任何來自CRISPR/Cas9系統(tǒng)的基因序列，并且應(yīng)該是無轉(zhuǎn)基因的。通常情況下，這是通過多代異交或繁瑣的再生過程來實現(xiàn)的。這兩種方法都是時間和金錢密集型的，而且很困難，甚至在許多作物種植中是不可能的。由Friedrich Kragler領(lǐng)導的一組科學家開始改變這一狀況。作為歐盟資助的PLAMORF項目和德國研究部資助的概念驗證項目的一部分，他們正在研究使RNA從根移動到芽的運輸序列。研究小組發(fā)現(xiàn)tRNA樣序列(TLS)，它作為RNA在植物內(nèi)長距離運動的信號。最近的突破是將這一發(fā)現(xiàn)與CRISPR/Cas9基因組編輯系統(tǒng)結(jié)合起來。當將這樣的TLS添加到CRISPR/Cas9序列中時，植物會產(chǎn)生“移動”版本的CRISPR/Cas9 RNA。然后，將無轉(zhuǎn)基因、未修飾的芽移植到含有可移動CRISPR/Cas9 RNA的植物根部，然后從根進入芽，最終進入產(chǎn)生種子的花朵。

“神奇發(fā)生在花朵中，”Kragler解釋道。“CRISPR/Cas9 RNA進入并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的蛋白質(zhì)，這是真正的‘基因剪刀’。它編輯花朵中的植物DNA。但是CRISPR/Cas9系統(tǒng)本身并沒有整合到DNA中。因此，從這些花發(fā)育出來的種子只攜帶所需的編輯。在下一代植物中沒有CRISPR/Cas9系統(tǒng)的蹤跡，它的工作效率驚人地高?！?/p>

用于多種作物植物的編輯系統(tǒng)

讓這個新系統(tǒng)更令人興奮的是它有可能將不同物種結(jié)合在一起。科學家們表明，這種“編輯”方法不僅在根和芽來自同一種植物時才有效——在這種情況下，模型植物是擬南芥。他們還將其商業(yè)親戚油菜的嫩枝嫁接到擬南芥根上，從而產(chǎn)生可移動的CRISPR/Cas9。令人鼓舞的是，F(xiàn)riedrich Kragler的團隊還發(fā)現(xiàn)了經(jīng)過編輯的油菜植物。

“我們的新型基因編輯系統(tǒng)可以有效地用于許多育種計劃和作物植物。這包括許多重要的農(nóng)業(yè)植物物種，它們很難或不可能用現(xiàn)有方法進行改造?！彼偨Y(jié)道。

Lei Yang, Frank Machin, Shuangfeng Wang, Eleftheria Saplaoura und Friedrich Kragler. Heritable transgene-free genome editing in plants by grafting of wild-type shoots to transgenic donor rootstocks. Nature Biotechnology