两篇Nature Biotechnology发布中科院基因编辑研究新成果

【字体: 时间:2018年10月11日 来源:生物通

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  中国科学院遗传与发育生物学研究所10月1日连发两篇Nature Biotechnology文章,分别运用基因编辑技术精准靶向多个产量和品质性状控制基因的编码区及调控区,加速了野生植物的人工驯化;以及构建新的单碱基编辑系统A3A-PBE,成功在小麦、水稻及马铃薯中实现比PBE更加高效的C-T单碱基编辑。

  

中国科学院遗传与发育生物学研究所10月1日连发两篇Nature Biotechnology文章,分别运用基因编辑技术精准靶向多个产量和品质性状控制基因的编码区及调控区,加速了野生植物的人工驯化;以及构建新的单碱基编辑系统A3A-PBE,成功在小麦、水稻及马铃薯中实现比PBE更加高效的C-T单碱基编辑。

在第一篇文章中,中科院许操研究组和高彩霞研究组合作,选用天然耐盐碱和抗细菌疮痂病的野生醋栗番茄(Solanum pimpinellifolium) 为基础材料,运用基因编辑技术精准靶向多个产量和品质性状控制基因的编码区及调控区,在不牺牲其对盐碱和疮痂病天然抗性的前提下,将产量和品质性状精准地导入了野生番茄,加速了野生植物的人工驯化。

驯化是伴随人类文明发展而出现的一种进步行为,作物驯化使人类可以把野生植物改造成稳定生产食物的栽培作物,但随着驯化和改良的不断深入,作物的遗传多样性和对生物与非生物胁迫的抗性逐渐降低,抗逆育种遭遇瓶颈。为了提升作物的抗逆性,传统育种通过杂交的方式将野生种的抗逆性状导入栽培种,这种方式需耗时多年,而且常伴随连锁累赘,导致抗逆性状的导入降低了作物的产量或品质。

近年来,全球气候变化导致温度上升,产生了很多新的病虫害和极端天气,作物面临越来越多的逆境挑战,亟需全新的、更为精准的作物改良策略应对这些挑战,以保障人类的食物安全。基于人们对于作物驯化的遗传和分子规律的认识,使用基因编辑技术对具备天然抗逆性的野生植物进行从头驯化(De novo domestication),是获得抗逆作物的全新策略。

在这篇文章中,研究人员使用多靶点CRISPR/Cas9载体系统,精准靶向开花光周期敏感性、株型和果实同步成熟控制基因SP和SP5G的编码区(Coding region)、果实大小控制基因SlCLV3 和SlWUS的顺式调控元件(Cis-regulatory element) 和维生素C合成酶基因SlGGP1的上游开放阅读框 (Upstream Open Reading Fragment, uORF),获得了140个独立的基因编辑株系,后代群体的基因型和表型鉴定表明,基因编辑消除了野生番茄开花的光周期敏感性,突破了栽种的地理范围限制,实现了野生植物驯化的第一步。

同时将醋栗番茄开花晚、坐果稀的无限生长型(Indeterminate)的株型变成了“双有限”生长型(Double determinate)的紧凑株型,提高了坐果率、果实成熟的同步性和收获指数。而对小肽基因SlCLV3 及其信号途径下游基因SlWUS的顺式调控元件和SlGGP1上游开放阅读框的编辑使野生番茄果实变大,维生素C含量升高。盐处理和疮痂病菌接种实验表明,上述重要农艺性状的精准导入并没有影响野生番茄的天然抗性。

这一研究首次通过基因编辑实现野生植物的快速驯化,为精准设计和创造全新作物提供了新的策略。

第二篇文章中,高彩霞研究组在前期研究基础上利用Cas9变体(nCas9-D10A)融合人类胞嘧啶脱氨酶APOBEC3A (A3A)和尿嘧啶糖基化酶(UGI),构成新的单碱基编辑系统A3A-PBE,成功在小麦、水稻及马铃薯中实现比PBE更加高效的C-T单碱基编辑。原生质体报告系统以及对小麦和水稻的10个内源基因靶点编辑结果表明,A3A-PBE编辑效率最高可达36.9%, 平均C-T编辑效率为13.1%, 比PBE的效率约高13倍;且此编辑系统脱氨化的窗口可覆盖靶序列的17个核苷酸,相比PBE增加了10个核苷酸的活性窗口。

更重要的是,A3A-PBE的编辑不受GC序列的影响,依然有着高效的编辑活性,效率可高达42.1%。利用此技术体系,通过基因枪瞬时转化对小麦抗除草剂基因TaALS和对单倍体诱导基因TaMTL进行编辑,效率分别达到22.5%和16.7%,且TaALS突变体对除草剂表现出显著的抗性;通过农杆菌转化法在水稻中的编辑效率高达82.9%。

此外,A3A-PBE可对马铃薯内源基因进行高效编辑,效果明显优于PBE,且通过原生质体再生获得了6.5%编辑效率的马铃薯突变植株。A3A-PBE碱基编辑系统具有高效、宽脱氨化窗口及对靶标C上文无序列偏好性等优势,可拓宽植物单碱基编辑的范围。

该体系的建立对实现植物基因组大规模体内饱和突变,研究植物基因功能及基因调控元件作用等具有重要的技术支撑意义。

原文标题:

Domestication of wild tomato is accelerated by genome editing

Efficient C-to-T base editing in plants using a fusion of nCas9 and human APOBEC3A

http://www.nature.com/articles/nbt.4261



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