《高彩霞研究组在作物基因组单碱基编辑方法研究中取得新进展》

  • 来源专题:人类遗传资源和特殊生物资源流失
  • 编译者: yanyf@mail.las.ac.cn
  • 发布时间:2018-07-11
  • 单碱基编辑技术( Base editor )是基于 CRISPR 系统的新型靶基因定点修饰技术,它不需要产生 DNA 双链断裂( DSB )及 DNA 模板就可以对基因组特定碱基进行高效的替换。单碱基编辑技术可以应用于通过精确改变单个碱基实现关键氨基酸的改变,可以通过引入终止密码子实现基因的功能缺失突变,还可以对一些启动子区的调控位点进行改变实现对基因的表达调控。   中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组在前期研究的基础上,利用 Cas9 变体( nCas9-D10A )融合大肠杆菌野生型腺嘌呤脱氨酶( ecTadA )和人工定向进化的腺嘌呤脱氨酶( ecTadA* )二聚体,建立并优化出高效、精确的植物 ABE ( A denine B ase E ditor )单碱基编辑系统,在植物中实现高效的 A·T>G·C 碱基的替换。

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    • 来源专题:人类遗传资源和特殊生物资源流失
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2018-12-01
    • 基因组编辑是生命科学新兴的技术并被迅速在每个实验室应用,特别是基于CRISPR-Cas9系统的基因编辑工具近年来发展较快,在医疗、农业等领域展现巨大的应用潜力。然而此前,在玉米等部分作物中基于农杆菌转化的载体进行基因组编辑的效率偏低,在一定程度影响到该技术的高效利用尤其是基于CRISPR-cas9系统的高通量突变allele筛选。因此,如何提高编辑效率是大家关注的问题。另一个非常关键的问题是如何降低脱靶或不脱靶,这也是实际应用的限制因素。   中国科学院遗传与发育生物学研究所韩方普实验室前期选择了若干玉米减数分裂特异基因的启动子用于驱动Cas9基因的表达,希望在配子中实现高效的基因组编辑,从而在T1代获得大量纯合或双等位的突变体。其中用到的一个为玉米DMC1基因启动子,构建了DPC(DMC1 promoter-controlled) CRISPR-Cas9载体系统,用该载体系统转化玉米幼胚后,结果意外发现:凡是抗性愈伤组织靶位点均发生基因组编辑,另一个非常有趣的结果是:T0代植株中出现60-70%左右的纯合或双等位的突变体,其余为杂合或嵌合的突变体植株。并且这些纯合或双等位突变体植株(再生自一个抗性愈伤组织)含有不同的突变allele类型。通过对多个基因靶点(包括一个标记基因zb7,突变能产生白化的表型)的编辑实验,验证了该载体系统的高效性(下图为对玉米zb7基因靶点的编辑)。这一技术对韩方普研究组研究细胞分裂突变体的基因功能提供了非常快速高效的方法,当代纯合或嵌合突变体就可以直接观察细胞学及染色体行为与功能。此外,也证实了产生的突变能够稳定遗传到T1代,并且新的突变allele类型在T1代也被发现。通过全基因组测序分析,在预测的1000多个潜在脱靶位点没有发现脱靶突变。由于DMC1基因在进化中非常保守,该基因的启动子也可能有潜力在别的植物中发挥类似的作用,虽然科学家在小麦中的初步尝试结果不甚理想。   该研究成果于2018年3月23日在线发表于Plant Biotechnology Journal杂志上(DOI:10.1111/pbi.12920)。韩方普研究组博士生冯超为该论文的第一作者,该研究得到转基因重大专项及科技部育种专项的资助。
  • 《中国科学院高彩霞研究组最新发文:利用基因组编辑精细调控草莓糖分含量》

    • 来源专题:转基因生物新品种培育
    • 编译者:zhangyi8606
    • 发布时间:2020-10-11
    • 无性繁殖植物在农业生产中具有重要的地位,但是长期无性繁殖导致性状多样性的严重匮乏极大的阻碍了无性繁殖作物的育种发展。在育种设计中,对数量性状的精细调控可以避免产生剧烈的性状变化,并且可以极大的丰富性状多样性,对推进精准育种有重要意义。 基因组编辑技术通过对调控元件的遗传操作可以实现对数量性状的改良。对于无性繁殖的植物,纯合和杂合基因型都可以通过无性繁殖稳定遗传,可以获得更多可稳定遗传的基因型,进一步丰富性状多样性,对数量性状实现更加精细的调控。中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组发现对基因上游转录起始位点(uORF)进行编辑可以显著提高基因翻译效率,建立了基因组编辑调控植物内源基因翻译效率技术体系(Nature Biotechnology,2018; Nature Protocols,2020)。利用这一技术,最近高彩霞研究组在无性繁殖作物草莓中实现了对数量性状的精细调控并获得了多种不同糖分含量的草莓。 研究人员首先建立了高效的草莓胞嘧啶单碱基编辑技术体系,利用本实验室开发的植物高效胞嘧啶碱基编辑器(A3A-PBE,Nature Biotechnology,2018)首次在草莓中实现碱基编辑,转基因草莓植物中碱基编辑效率高达100%。 A3A-PBE具有效率高和编辑窗口宽的特点,在草莓中,其编辑窗口宽度达到15bp。研究人员利用A3A-PBE对草莓FvebZIPs1.1基因的保守的uORF进行编辑,在T0代获得7种不同的新uORF突变。七种新uORF突变的纯合突变体中果实糖含量出现了不同程度的提高,而且植物生长未受影响。 为了进一步丰富基因型和性状多样性,研究人员对T0代突变体进行了自交和杂交,组合不同的等位基因并分离转基因成分。T1代共计获得了35种不同基因型的草莓,而且这些草莓均无外源基因。不同基因型对草莓果实糖含量产生了不同程度的影响,极大的丰富了性状多样性,实现了对数量性状的精细调控。尤为重要的是,所有的新基因型和性状都可以通过无性繁殖稳定传递给后代。 该工作为无性繁殖作物提供了新的育种策略。这一研究成果于2020年9月3日在Genome Biology杂志发表(DOI:10.1186/s13059-020-02146-5)。高彩霞研究组博士后邢思年和副研究员陈坤玲为该论文的共同第一作者,高彩霞研究员为该论文通讯作者。 原文标题: Fine-tuning sugar content in strawberry