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【科研新进展】陈坤明团队综述CRISPR基因编辑在植物基因功能研究中的应用

近日,我室陈坤明教授团队在农林科学TOP期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry上在线发表了题为“Dissecting plant gene functions using CRISPR toolsets for crop improvement”的综述论文,全面阐述了不同CRISPR工具集在植物基因表达调控研究中的应用和能力,为各种CRISPR工具集在植物基因功能研究及作物遗传改良中的应用提供了新指引。我室硕士生张瑞祥为论文的第一作者,陈坤明教授为通讯作者。

近年来,以CRISPR基因编辑为代表的新一代生物技术在物种遗传改良中的应用和广阔前景得到了空前关注与发展。在各种CRISPR/Cas 系统中,源自化脓性链球菌适应性免疫系统的扩展II型SpCas9编辑系统的成功应用,迅速取代了由ZFN 和TALEN 介导的基因组编辑技术。同时,基于CRISPR中Cas9蛋白复合物强大的基因组定位功能,Gilbert等人使用核酸酶失活的Cas9(dCas9、D10A、H840A)作为模块化RNA 引导平台,将抑制和激活效应子募集到真核生物的DNA 中,以激活或抑制报告基因的表达,拉开了CRISPR工具集(CRISPR toolsets)急速扩展和应用的帷幕。随着Base editor(BE)、Prime editor(PE)、Gene targeting(GT)、Epigenetic editor(EE)等CRISPR工具集的发展,CRISPR及其工具集已成为植物基因功能及其调控网络研究的有效手段。随着国际基因编辑作物应用与商业化法律的不断完善,CRISPR工具集在作物改良和育种中的应用迎来了超级时代。

本论文首先系统梳理了当前发展起来的可用于植物基因编辑的各种基因靶向(gene targeting,GT)和碱基编辑器(base editors,BEs),细致比较了这些GTs和BEs的特点及其在植物基因功能研究中的功能(图1),全面解析了包括CRISPRi、CRISPRa和植物表观遗传编辑器(PEEs)等在内的CRISPR工具集在植物基因表达调控、表观修饰、染色体高级结构重塑、RNA功能分析等方面的多角度应用(图2、图3)。随后,论文分析讨论了这些CRISPR工具集在植物基因功能解析中高通量应用的前景和可选择方案(图4),提出了一套通过CRISPR工具集进行遗传操纵以高效应用于作物遗传改良和分子育种的解决方案(图5)。

图1 基于CRISPR的基因靶向(GT)、碱基编辑器(BEs)及其应用

图2 植物中基于CRISPR的基因表达调控和表观遗传编辑

图3 基于CRISPR的多角度基因功能研究工具

图4 重要的基因编辑载体递送和突变筛选方法

图5 CRISPR工具集高效应用于作物遗传改良和分子育种的解决方案

综上,本论文全面分析比较了CRISPR工具集全方位、多角度应用于植物基因功能研究的现状与前景,全文共总结了74个CRISPR工具集,指出了其在植物基因功能研究甚至作物改良中具有潜在应用,为CRISPR系统在植物研究中的进一步发展应用提供了信息和选择依据,并为通过生物工程和分子育种进一步改良作物提供重要线索。

该论文受国家自然科学基金项目(31770204和31270299)及西北农林科技大学“双一流”科学建设相关项目的资助。

文章链接:https://doi.org/10.1021/acs.jafc.2c01754