《CRISPR激活(CRISPRa)技术通过精准上调目标基因表达,结合多组学工具与高通量筛选,突破传统育种局限,为作物抗病性改良提供高效可逆的新路径,推动非转基因抗病作物产业化》

  • 编译者: 季雪婧
  • 随着病原体压力和气候变异性增加,作物抗病性改良成为全球农业的核心挑战。传统育种方法存在随机性高、筛选效率低等局限,而CRISPR激活(CRISPRa)技术通过无切割活性的dCas9蛋白偶联转录激活因子,精准上调目标基因表达,为植物免疫机制研究和抗病育种开辟了新路径。 CRISPR-Cas9系统源于细菌适应性免疫机制,核心组件Cas9核酸酶在sgRNA引导下靶向切割DNA。CRISPRa采用失活的dCas9融合转录激活域,通过表观遗传重塑激活内源基因表达,避免基因组扰动。例如,在番茄中,dCas9-VP64系统对SlPR-1基因的激活使植株对Clavibacter michiganensis的抗性提升3倍,且不影响农艺性状。 早期激活标签技术依赖随机插入增强子,而CRISPRa实现了靶向可控的基因激活。第二代PTAs如SunTag和MoonTag系统通过多价激活域招募策略,在烟草中实现目标基因表达量最高提升2000倍。菜豆毛状根中应用的dCas9-6×TAL-2×VP64系统使抗菌肽基因Pv-lectin表达量上调6.97倍,显著增强了对病原体的防御能力。 将CRISPRa与全基因组关联分析(GWAS)结合,可加速抗病基因鉴定。例如,通过高光谱表型分析结合GWAS定位小麦赤霉病抗性QTL后,采用CRISPRa靶向调控相关转录因子,实现了对镰刀菌毒素积累的精准控制。新型CRISPR-Combo系统更可同步完成基因编辑和转录激活,在拟南芥中使再生效率提升3倍,大幅缩短育种周期。 通过瞬时递送dCas9-激活复合体或编辑内源启动子元件,可实现非转基因的基因过表达。巴西已批准基于此技术的抗病甘蔗商业化种植,中国在2024年将基因编辑小麦纳入快速审批通道。然而,公众认知仍是主要障碍,调查显示仅38%消费者能区分CRISPR编辑与传统转基因作物。 自动化表型平台(如高光谱成像、3D激光扫描)使大规模CRISPRa筛选成为可能。机器学习算法进一步将抗病表型分类准确率提升至92%。当前CRISPRa仍面临组织特异性激活困难、递送效率低等问题。未来发展方向包括开发铜离子诱导型PTAs实现时空特异性激活,设计模块化gRNA库实现抗病通路的多基因协同调控,结合单细胞测序解析抗性细胞的转录组特征。 结论是CRISPRa技术正在重塑植物抗病研究范式,其精准性、可逆性和与多组学工具的兼容性,使其成为实现"设计育种"理想的核心技术。通过持续优化PTAs效率、开发新型递送系统和完善监管框架,这项技术有望为全球粮食安全提供可持续解决方案。
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    • 编译者:zhangyi8606
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    • 这种方法可以廉价快速地转移抗病基因。 一个全球研究者联盟开创了一种新方法,快速从野生植物中获取抗病基因,并将其转到家养作物。这项技术有望彻底改变全球粮食供应中抗病品种的开发。 这项名为AgRenSeq的技术是由英国John Innes Centre的科学家与澳大利亚和美国的同事合作开发的,今天在《自然生物技术》上发表。 这一结果加速了对抗威胁全球粮食作物的病原体的斗争,包括小麦、大豆、玉米、大米和马铃薯,它们构成了人类饮食中大量的谷物。 悉尼农业学院和生命与环境科学学院的Harbans Bariana教授是谷物锈病遗传学的全球专家,也是该论文的合著者。 他说:“这项技术将支持对植物抗病性新来源的快速跟踪发现和特征描述。” 目前的研究建立在Bariana教授与CSIRO和John Innes Centre以前的合作工作的基础上。它使用了两个由这个国际小组克隆的小麦基因作为对照,Bariana教授对这项研究进行了表型评估。 AgRenSeq让研究人员搜索在现代作物野生亲缘中发现的抗性基因库,以便快速识别与抗病能力相关的序列。 从那里,研究人员可以利用实验室技术克隆这些基因,并将它们引入国内优质作物品种中,以保护它们免受锈菌、白粉病和黑森瘿蚊等病原体和害虫的侵害。 John Innes Centre的作物遗传学项目负责人、该研究的主要作者Brande Wulff博士说:“我们已经找到了一种方法,可以扫描作物野生亲缘植物的基因组,找出我们需要的抗性基因,并且我们可以在创纪录的时间内完成这项工作。这个过程过去需要10到15年的时间,就像大海捞针一样。 “我们已经完善了这种方法,这样我们就可以在几个月内克隆出这些基因,只需几千美元,而不是数百万美元。” 这项研究表明,AgRenSeq已经成功地在小麦的一个野生亲戚身上进行了试验,研究人员在数月内鉴定并克隆了4个对毁灭性茎锈病病原体的抗性基因。使用传统方法,这个过程很容易需要十年时间。 野生小麦的研究正被用作概念的证明,为保护许多有野生亲缘关系的作物(包括大豆、豌豆、棉花、玉米、土豆、小麦、大麦、大米、香蕉和可可)的方法做准备。 现代优质作物在寻求更高的产量和其他理想的农艺性状时,失去了许多遗传多样性,尤其是抗病性。 从野生亲缘植物中重新引入抗病基因是一种经济和环境可持续地培育更有弹性的作物的方法。然而,使用传统育种方法将这些基因导入作物是一个艰难的过程。 这种新方法结合了高通量DNA测序和最先进的生物信息学。 “我们现在拥有的是一个抗病基因库,我们已经开发出一种算法,使研究人员能够快速扫描该库并找到功能性抗病基因,”John Innes Centre的论文第一作者Sanu Arora博士说。 “如果我们有一种流行病,可以去我们的基因库,通过我们的多样性小组对这种病原体进行接种,并找出抗性基因。通过快速克隆和快速育种,我们可以在几年内将抗性基因导入优良品种,就像凤凰从灰烬中升起一样。”
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