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植物基因编辑的精华都在这呢

2017-08-04来源:莱肯生物
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      2017年7月刊的《Progress in Molecular Biology and Translational Science》刊登了主题为植物基因组编辑的系列文章。12个全球著名研发团队从不同角度阐述了植物基因编辑技术的研究进展和发展方向。具体为:
      1、Calyxt公司Daniel F. Voytas带领的团队详细介绍了基因编辑的几种形式(SNP、InDels、大片段缺失和插入)以及在农业中的应用案例,包括通过编辑水稻中的GW2、GW5、TGW6或小麦中的GASR7基因增加作物产量,编辑Os11N3、MLO基因增强抗病性,修饰EPSPS和ALS实现杂草控制,调控AGROS8表达增加抗逆性,抑制FAD基因提高食用油品质,敲除Vlnv增加马铃薯储藏和烹调品质,增加ANT1表达以增强番茄中的花青素含量。此外,作者也对如何通过提高转化效率以突破基因编辑技术的应用瓶颈以及如何优化编辑育种流程给出了建议。
      2、杜邦先锋公司的研发团队详细介绍了几个玉米和大豆基因编辑产品的设计和开发过程,包括敲除Wx1产生的糯玉米,编辑ALS产生的抗磺酰脲类除草剂玉米和大豆,改变ARGOS8启动子产生的抗旱玉米以及使用定点插入技术开发的复合性状转基因玉米和大豆。
      3、陶氏益农公司的研发团队着重介绍了最早的基因编辑技术——锌指核酸酶(ZFNs)的编辑特点和应用情况。同时,作者介绍了该公司基于ZFNs而开发的精准基因编辑技术EXZACT™在基因修饰、位点特异性基因整合、染色体编辑等方面的应用情况。
      4、内布拉斯加大学的Donald P. Weeks详细介绍了基因编辑技术在多倍体植物中的应用情况。复杂的多倍体基因组要求对所有等位基因的编辑必须全部完成才能获得需要的表型性状,这无疑增加了编辑的难度。通过设计多个SgRNA实现等位基因的同时突变的方法逐渐克服了这一障碍。如今,基因编辑技术已在小麦、亚麻、油菜、马铃薯、棉花、花生、甜菜、柑橘、苹果等多倍体植物中成功应用。
      5、受基因组大小、转化效率等所带来的便利性,水稻中的基因编辑操作起来相对容易。爱荷华州立大学的杨兵团队详细介绍了基因组断裂修复的两种机制HDR和NHEJ的特点以及水稻中基因编辑技术,包括TALEN、CRISPR/Cas9、CRISPR/Cpf1和Base Editor的各自特点和应用情况。
      6、增加抗逆性是作物遗传改良的重要目标。日本德岛大学(Tokushima University)的Yuriko Osakabe团队介绍了利用编辑技术增加植物基因组变异位点,从而改善植物对非生物逆境信号的应答,实现抗逆效果的策略。
      7、宾夕法尼亚大学杨亦农团队凭借防褐变的蘑菇获得了全球第一例基因编辑食品的商业化许可。如今,该团队系统介绍了基于CRISPR/Cas9系统的多重基因组编辑技术的应用前景。这些技术包括,表达多个gRNAs、基于Csy4的剪切、CrRNAs阵列、RGRs(ribozyme-flanked gRNAs)、利用tRNA加工产生多个gRNAs、将多个gRNAs预装到cas9蛋白上等。多重基因组编辑不仅可以提升对单个基因的编辑效率,而且能够实现多基因调控网络的同时修饰。
      8、华南农大刘耀光团队着重介绍了CRISPR/Cas9系统在水稻功能基因组研究以及创建突变基因方面的特点、效率、影响因素等。同时他们系统归纳了CRISPR/Cas9在创建水稻突变体上的特点、效率、影响因素以及突变位点分析的方法。该团队利用编辑技术干涉水稻内源基因TMS5以创建温敏不育系,突变OsERF922以增强水稻抗病性,敲除OsABCG26和OsTCD10以研究基因功能。
      9、CRISPR/Cas9技术的发展如今面临着两个重要障碍:没有更好的启动子以实现时空特异性剪切;没有更好的技术手段检测编辑的遗传稳定性和排查外源片段残留。加州大学圣地亚哥分校的赵云德团队为我们介绍了其开发的基于核糖酶的CRISPR/Cas9技术。该技术不仅使得启动子的选择范围更宽,而且可以实现对基因组的时空特异性剪切。结合荧光筛选,该技术可以产生出Cas9-free的稳定编辑植株。这极大拓宽了基因编辑技术在育种开发上的应用空间。
      10、增加植物的抗病性是基因编辑技术的重要应用领域。除了对植物基因组进行修饰外,我们还可以干涉病原菌基因。沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的研发团队向我们介绍了利用基因编辑技术干涉DNA或RNA病毒基因组,从而影响其侵染过程,避免植物感染致病的免疫策略。
      11、豆科植物与根瘤菌的共生固氮过程是生物界非常普遍的现象,也对自然界的氮素循环和提升豆科植物产量有着十分重要的意义。华中农业大学生命科学技术学院/农业微生物学国家重点实验室端木德强课题组介绍了基因编辑技术在豆科植物与根瘤菌共生固氮研究中所取得的成果。共生固氮过程中的调控基因功能研究,代谢途径解析以及改良非豆科植物以赋予其固氮能力从而减轻对氮肥的依赖,这些都需要基因编辑技术的参与。
      12、利用基因编辑技术可以开发出不含转基因成分的产品,从而避免后期繁杂的安全评价过程,这是编辑育种被热捧的重要原因。然而,爱荷华州立大学转基因农产品生物安全研究所的Jeffrey D.Wolt告诉我们应该如何从法规和监管的角度看待基因编辑产品。由于基因编辑技术存在着编辑的随机性以及脱靶效应,如何验证编辑位点的遗传稳定性,如何证明未产生非预期变异,以及确认编辑产品确实不含有外源插入序列将成为基因编辑产品法规审批和安全监管的重要内容。
 
Prog Mol Biol Transl Sci, 2017, 149: 1-249.
1-Genome Engineering and Agriculture: Opportunities and Challenges.
Baltes NJ, Gil-Humanes J, Voytas DF.
Calyxt, Inc., USA.
2-Use of CRISPR/Cas9 for Crop Improvement in Maize and Soybean.
Chilcoat D, Liu ZB, Sander J.
DuPont Pioneer, USA.
3-Use of Zinc-Finger Nucleases for Crop Improvement.
Davies JP, Kumar S, Sastry-Dent L.
Dow AgroSciences, USA.
4-Gene Editing in Polyploid Crops: Wheat, Camelina, Canola, Potato, Cotton, Peanut, Sugar Cane, and Citrus.
Weeks DP.
University of Nebraska, USA.
5-Gene Editing With TALEN and CRISPR/Cas in Rice.
Bi H, Yang B.
Iowa State University, USA.
6-Genome Editing to Improve Abiotic Stress Responses in Plants.
Osakabe Y, Osakabe K.
Faculty of Bioscience and Bioindustry, Tokushima University, Japan.
7-CRISPR/Cas9-Enabled Multiplex Genome Editing and Its Application.
Minkenberg B, Wheatley M, Yang Y.
The Pennsylvania State University, USA.
8-CRISPR/Cas9-Based Genome Editing in Plants.
Zhang Y, Ma X, Xie X, Liu YG.
State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro-Bioresources, China;
9-On Improving CRISPR for Editing Plant Genes: Ribozyme-Mediated Guide RNA Production and Fluorescence-Based Technology for Isolating Transgene-Free Mutants Generated by CRISPR.
He Y, Wang R, Dai X, Zhao Y.
Section of Cell and Developmental Biology, University of California San Diego, USA.
10-Engineering Molecular Immunity Against Plant Viruses.
Zaidi SS, Tashkandi M, Mahfouz MM.
Laboratory for Genome Engineering, 4700 King Abdullah University of Science and Technology, Saudi Arabia;
11-Use of CRISPR/Cas9 for Symbiotic Nitrogen Fixation Research in Legumes.
Wang L, Wang L, Zhou Y, Duanmu D.
State Key Laboratory of Agricultural Microbiology, College of Life Science and Technology, Huazhong Agricultural University, China.
12-Safety, Security, and Policy Considerations for Plant Genome Editing.
Wolt JD
Biosafety Institute for Genetically Modified Agricultural Products; Crop Bioengineering Consortium, Iowa State University, USA.

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[责任编辑:wangjing] 标签: 基因 编辑 基因组 技术
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