新型CRISPR组合增强植物基因组编辑能力

科学家开发了CRISPR Combo，一种在植物中编辑多个基因同时改变其他基因表达的方法。这一新工具将使基因工程组合能够协同工作，增强功能并改进新作物的育种。

　　

来自马里兰大学农业与自然资源学院的科学家开发出了CRISPR-Combo，这是一种编辑植物中的多个基因，同时改变其他基因表达的方法。这种新工具将使基因工程结合起来，共同提高功能和改善新作物的育种。

“就可以结合的特征而言，可能性真的是无限的，”植物科学与景观建筑系副教授、该研究的合著者齐义平(Yiping Qi)说。“但真正令人兴奋的是，CRISPR-Combo为植物基因工程引入了一种我们以前从未有过的复杂水平。”

这项新研究发表在2022年5月的《自然植物》杂志上。

一次操作多个基因的好处远远超过任何一个操作本身的好处。例如，想象一下一场枯萎病肆虐麦田，威胁着农民的生计和粮食安全。如果科学家能去除小麦基因使其容易受到破坏,同时打开基因植物的生命周期缩短,增加种子产量,他们可以迅速产生blight-resistant小麦病前有机会做太多伤害。

这就是祁和他的团队在四个不同阶段的实验中所展示的工程类型。

第一步:证明这个概念

Qi和他的团队此前开发了新的CRISPR方法来调节植物中的基因表达，并同时编辑多个基因。但要开发CRISPR-Combo，他们必须确定他们可以同时执行这两种基因工程功能，而不会产生负面后果。在这篇新论文中，他们用番茄和水稻细胞证明了这一点。

“作为一个概念的证明，我们证明了我们可以敲除基因a并成功上调或激活基因B，而不会意外交叉和敲除基因B或上调基因a，”齐说。

然后，齐和他的同事们在一种名为岩芥(拟南芥)的开花植物上测试了CRISPR-Combo，这种植物经常被研究人员用作玉米和小麦等主要作物的模型。研究人员编辑了一种使这种植物对除草剂更有抵抗力的基因，同时激活了一种导致提早开花的基因，从而更快地产生种子。其结果是一种抗除草剂的西洋菜，一年产生8代，而不是普通的4代。

更高效的工程

在他们的第三个实验中，团队展示了CRISPR-Combo如何利用杨树的组织培养提高植物育种的效率。开发新品种植物的育种计划通常使用组织培养而不是种子——考虑植物如何从种植在土壤中的单一茎秆重新长出根和叶。科学家们对具有长成完整植物能力的干细胞进行基因改造，当这些植物成熟并产生种子时，种子将继续对干细胞进行基因改造。

一些植物比其他植物更擅长从组织培养中再生，这使得这一步成为作物基因工程的最大瓶颈。对于一些植物来说，成功率只有1%。

戚和他的团队首先编辑了杨树细胞的一些性状，然后激活了三个促进植物组织再生的基因，从而解决了这一瓶颈。

“我们在杨树上展示了我们的新方法可以为组织再生瓶颈提供解决方案，极大地提高了基因工程的效率，”祁说。

无激素捷径

目前，从组织培养中培育基因工程植物需要添加生长激素，从而激活促进生长的基因。研究组利用CRISPR-Combo直接激活了这些基因，从而缩短了这一过程。其结果是，来自组织培养的基因编辑水稻不需要补充激素。祁和他的同事们发现，用他们的方法培养的组织培养物比用激素培养的组织培养物表达更多编辑过的基因。

“这种方法产生了高效的基因组编辑过程”。

现在，该团队已经证明了他们的CRISPR-Combo方法在多种植物上都可以用于多种目的，他们打算在柑橘、胡萝卜和土豆上进行实验，以测试它在水果、蔬菜和主食作物上的可行性。他们还在努力创造一种抗除草剂的黄金大米，增加营养成分和红大米，增加抗氧化剂。

Journal Reference:

1. Changtian Pan, Gen Li, Aimee A. Malzahn, Yanhao Cheng, Benjamin Leyson, Simon Sretenovic, Filiz Gurel, Gary D. Coleman, Yiping Qi. Boosting plant genome editing with a versatile CRISPR-Combo system. Nature Plants, 2022; 8 (5): 513 DOI: 10.1038/s41477-022-01151-9