德国马普研究所通过嫁接获得CRISPR编辑的植物

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关键词：

来源：

Nature Biotechnology

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来源地址：

https://doi.org/10.1038/s41587-022-01585-8

资源所属：

农业生物技术专题

类型：

学术文献

语种：

英语

原文发布日期：

2025-01-02

摘要：

2025年1月2日，Nature Biotechnology杂志在线发表了来自德国马普研究所Friedrich Kragler课题组题为“Heritable transgene-free genome editing in plants by grafting of wild-type shoots to transgenic donor rootstocks”的研究论文。该研究介绍了一种CRISPR递送方法，该方法使用砧木嫁接将移动CRISPR RNA从转基因供体植物转移到兼容的野生型受体植物，从而能够在第一代育种中创建无转基因的纯合的编辑植物。由于基因组学研究和基因改造新工具的成熟，植物工程和育种正在进入一个快速发展的时代.这些工具中最重要的是CRISPR基因组编辑，它可以实现精确的遗传变化以改善作物表型。目前，将CRISPR酶和引导RNA递送到植物中的最常见方法依赖于质粒和农杆菌介导的转化或电子枪。这些方法需要耗时且复杂的植物组织培养和再生过程，以及广泛的杂交以去除CRISPR转基因。去除CRISPR组分通常是必要的，因为它们的长时间表达可能会导致不良的脱靶效应，并引起世界各国的监管问题。生产无转基因基因组编辑植物的更直接方法是以mRNA或核糖核蛋白复合物的形式递送CRISPR组分。使用mRNA或核糖核蛋白生物递送的基因组编辑幼苗的生成已在小麦和玉米中得到证实。尽管这些方法避免了从编辑过的植物中去除CRISPR DNA的需要，但它们仍然需要长时间的组织培养，并且仍然难以将它们应用于许多抵抗遗传转化和再生的物种，包括豆科植物（如大豆）和大多数果树。少数研究成功地免除了冗长的植物组织培养。通过将基因组编辑试剂和发育调节因子的组合递送到本氏烟草体细胞中，已经产生了编辑的幼苗，但生成的突变体仍然是转基因的。另一种无培养方法——生物轰击介导的将CRISPR核糖核蛋白直接递送到枝尖分生组织中——产生了无转基因基因组编辑的小麦。不幸的是，这些嵌合植物的遗传编辑是不可遗传的。HI-Edit方法还能够在小麦，玉米和拟南芥中产生无转基因基因组编辑，但需要单倍体诱导系。最近，植物RNA病毒被用于将CRISPR试剂递送到植物体内种系细胞中，无需组织培养即可产生无转基因基因组编辑的植物;然而，由于病毒包装能力小或无法转导分生细胞，这种方法受到严重限制。该研究在很大程度上克服了这些困难。他们的方法使用表达移动CRISPR RNA的转基因砧木，在其上移植接收移动RNA的兼容野生型植物。首先，研究产生了稳定的转基因拟南芥植物，表达Cas9 mRNA和gRNA融合到促进长距离RNA转运的tRNA样序列（TLS）基序。然后将这些转基因砧木嫁接野生型拟南芥植物。通过RT-PCR在嫁接的野生型枝条中检测Cas9-TLS和一对gRNA-TLS转录本，Cas9-TLS递送频率范围为1/1000至4/1000。该研究观察到对应于编辑的nia1基因的预期表型，表明Cas9-TLS和gRNA-TLS转录本都已成功转运到接穗中。此外，RT-PCR分析和基因分型表明，转运的转录本和基因组编辑存在于嫁接植物花朵中，这意味着融合转录本在生殖组织中是活跃的。来自嫁接野生型拟南芥植物的后代有纯合nia1突变体，频率为每1000粒种子1.17-1.41，表明这种无组织培养和转基因的递送方法可以在拟南芥中产生可遗传的编辑。此外，该研究还在芸苔属植物中测试了该方法，得到了同样的结果。植物遗传转化、组织培养和转基因分离的挑战是加速作物育种和基础植物研究的CRISPR基因组编辑的主要障碍。与传统方法相比，该研究具有两个突出的优点。首先，这种转化方法绕过了基于组织培养的再生需求，这对于再生难治的物种是有利的。其次，该方法避免了杂交和自交的需要，因为无转基因基因组编辑的植物是在一代中获得的。这些进展对于幼年期长的植物（如某些果树）具有相当重要的意义。