中國農科院利用CRISPR系統成功實(shí)現水稻基因檢測

中國農業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所農作物轉基因技術(shù)與應用創(chuàng )新團隊與華中農業(yè)大學(xué)‘千人計劃’引進(jìn)人才、長(cháng)江學(xué)者、美國加州大學(xué)圣地亞哥分校趙云德教授實(shí)驗室合作，利用改造后CRISPR/Cas9系統，成功在水稻中實(shí)現靶標基因高效單堿基定點(diǎn)替換。相關(guān)研究成果于2016年12月9日在線(xiàn)發(fā)表在Cell子刊《Molecular Plant》（分子植物）雜志上。
　　
　　對重要農作物基因組進(jìn)行定點(diǎn)修飾，包括關(guān)鍵基因的定點(diǎn)敲除、替換以及外源基因的定點(diǎn)整合等，將有助于重要農藝性狀的功能基因鑒定、復雜農藝性狀的調控網(wǎng)絡(luò )的解析和新種質(zhì)創(chuàng )制，對推動(dòng)農作物遺傳改良進(jìn)程具有重要意義。CRISPR/Cas9系統是繼ZFNs和TALENs技術(shù)之后出現的基因組定點(diǎn)編輯新技術(shù)，因其試驗設計簡(jiǎn)單、靶點(diǎn)在農作物基因組中分布頻率高、可同時(shí)對同一基因的不同位點(diǎn)或多個(gè)基因的位點(diǎn)進(jìn)行定向編輯等優(yōu)勢，已成為應用前景最廣泛的基因組編輯技術(shù)。目前，利用CRISPR/Cas9介導的基因組編輯技術(shù)進(jìn)行基因敲除，已經(jīng)在水稻等農作物中得到廣泛應用。但是，由于植物中同源重組頻率特別低，利用CRISPR/Cas9介導的同源重組，在農作物中實(shí)現基因定點(diǎn)替換或定點(diǎn)整合卻少有報道。

　　該研究團隊通過(guò)利用胞嘧啶脫氨酶、Cas9（D10A）和尿嘧啶糖基化酶抑制劑 (UGI)的融合基因（BE3），構建植物表達載體，以水稻OsPDS和OsSBEIIb為靶標基因進(jìn)行單個(gè)堿基定點(diǎn)替換研究。結果表明，在所選的3個(gè)靶點(diǎn)中，均獲得預期定點(diǎn)突變植株，即在靶點(diǎn)序列的4-8位置有C突變成T（或G突變成A），效率最高可達20%左右。該系統在植物中的首次成功利用，表明其可作為一種可行、有效的單個(gè)堿基定點(diǎn)替換方法用于農作物遺傳改良。這是繼該團隊在Molecular Plant(2016, 9: 628–631)報道利用CRISPR/Cas9介導的基因組定點(diǎn)重組體系，將ALS基因兩個(gè)氨基酸位點(diǎn)定點(diǎn)替換，獲得大量抗磺酰脲類(lèi)除草劑水稻后，發(fā)表的又一重要研究進(jìn)展。重要農作物CRISPR/Cas9介導的基因組定點(diǎn)修飾體系的建立，可望大大加快農作物育種進(jìn)程，具有重要理論價(jià)值和應用前景。
　　
　　作科所碩士研究生李晶瑩和博士研究生孫永偉為本文共同第一作者，夏蘭琴研究員和趙云德教授為本文的共同通訊作者。本研究得到重點(diǎn)研發(fā)計劃、轉基因專(zhuān)項項目和中國農科院創(chuàng )新工程項目資助。