Nature：植物育种技术突破，实现植物跨物种的远距离基因编辑

编辑:中国基因网发布于:基因研究2023-01-034447

北京时间2023年01月03日， Nature Biotechnology 在线发表了来自马克斯·普朗克分子植物生理学研究所（MPIMP）Friedrich Kragler课题组题为“Heritable transgene-free genome editing in plants by transfer of Cas9 and gRNA transcripts from transgenic donor rootstocks to grafted wild-type shoots”的研究。该研究通过使用移动tRNA和CRISPR工具（又称“基因剪刀”），将嫁接与“移动” CRISPR剪辑工具相结合，实现植物跨物种的远距离基因编辑。

粮食安全问题一直以来是关乎我国经济发展和社会安定的重大战略问题。针对作物高产稳产和优质重要农艺性状进行的传统育种和分子设计育种，一直是科研工作者和育种专家进行作物遗传改良的主要手段。其中使用CRISPR/Cas9系统的高精度植物基因组编辑技术以引入有益的基因功能或去除不利的基因功能方向的研究获得突飞猛进的发展。尽管CRISPR/Cas9在植物育种方面迈出了巨大的一步，这种基于遗传转化的基因编辑技术既昂贵又费时费力，从而使其不适用于大多数重要农作物。德国马克斯·普朗克分子植物生理学研究所的科学家团队最近的研究克服了这些限制。这种技术方法可以简化和加快新型、遗传稳定的商业作物品种的开发。

RNA作为CRISPR载体

商业化作物需要遗传稳定，不能包含外源CRISPR/Cas9以及其他抗性的基因序列。通常情况下，这可以通过多代的异交或通过繁琐的再生过程来实现。两者都是需要浪费大量时间和金钱的，在许多农作物中都是尤其困难的，甚至是不可能的。Friedrich Kragler研究员领导的科学团队着手改变这一状况。作为欧盟资助的PLAMORF项目（ERC）和德国研究部资助的概念验证项目（BMBF）的一部分，他们正在研究RNAs从根到芽的运输序列。该研究小组鉴定了一系列tRNA Like Sequence（TLS）可以作为RNA信号在植物内长距离移动。该项工作的第一个创新是把这一发现与CRISPR/Cas9基因组编辑系统相结合，将这种可移动的TLS元件融合到CRISPR/Cas9序列中，使植物产生“移动”版本的CRISPR/Cas9 RNA。然后，将非转基因、未经修饰的野生型接穗嫁接到含有可移动CRISPR/Cas9 RNA的植物根部，然后从根部移动到嫩枝中，最终进入产生种子的花朵中。杨磊博士解释说：“魔法种子就孕育在花朵里！”。“CRISPR/Cas9 RNA进入并转化为相应的蛋白质，在这里真正变成了‘基因剪刀’发挥功能。这种可移动CRISPR/Cas9系统就会编辑花中的植物DNA，但是由于CRISPR/Cas9基因序列并没移动所以其本身并没有整合到接穗基因组中。因此，从这些花中发育出来的种子进行了所需的非转基因的基因编辑。（图1）

图1. TLS（tRNA like sequence）移动元件介导的可移动CRISPR/Cas9基因编辑技术。

多种作物的编辑系统

该新型基因编辑系统更加令人兴奋的是提供了能够将不同物种结合在一起并进行跨物种基因编辑的可能性。该项工作的第二个创新就是把这种可移动基因编辑成功应用到拟南芥（Arabidopsis thaliana）与白菜型油菜（Brassica rapa）跨物种嫁接中。该团队通过使用容易转化的拟南芥作为砧木与野生白菜型油菜进行嫁接，转基因砧木表达Cas9 和 gRNA转录本并运输到野生型接穗中进行目的基因的编辑（图2）。令人鼓舞的是，Friedrich Kragler研究员团队成功发现了经过编辑的白菜型油菜植株。杨磊博士进一步总结道：“该新型可移动基因编辑系统为未来分子精准设计育种搭建了一条快速高效的通道，为农作物重要农艺性状研究以及作物遗传改良提供有力的技术支撑。