兩篇NatureBiotechnology發布中科院基因編輯研究新成果

　　 中國科學院遺傳與發育生物學研究所10月1日連發兩篇Nature Biotechnology文章，分別運用基因編輯技術精準靶向多個產量和品質性狀控制基因的編碼區及調控區，加速了野生植物的人工馴化；以及構建新的單堿基編輯系統A3A-PBE，成功在小麥、水稻及馬鈴薯中實現比PBE更加高效的C-T單堿基編輯。

　　在第一篇文章中，中科院許操研究組和高彩霞研究組合作，選用天然耐鹽堿和抗細菌瘡痂病的野生醋栗番茄(Solanum pimpinellifolium) 為基礎材料，運用基因編輯技術精準靶向多個產量和品質性狀控制基因的編碼區及調控區，在不犧牲其對鹽堿和瘡痂病天然抗性的前提下，將產量和品質性狀精準地導入了野生番茄，加速了野生植物的人工馴化。

　　馴化是伴隨人類文明發展而出現的一種進步行為，作物馴化使人類可以把野生植物改造成穩定生產食物的栽培作物，但隨著馴化和改良的不斷深入，作物的遺傳多樣性和對生物與非生物脅迫的抗性逐漸降低，抗逆育種遭遇瓶頸。為了提升作物的抗逆性，傳統育種通過雜交的方式將野生種的抗逆性狀導入栽培種，這種方式需耗時多年，而且常伴隨連鎖累贅，導致抗逆性狀的導入降低了作物的產量或品質。

　　近年來，全球氣候變化導致溫度上升，產生了很多新的病蟲害和極端天氣，作物面臨越來越多的逆境挑戰，亟需全新的、更為精準的作物改良策略應對這些挑戰，以保障人類的食物安全。基于人們對于作物馴化的遺傳和分子規律的認識，使用基因編輯技術對具備天然抗逆性的野生植物進行從頭馴化(De novo domestication)，是獲得抗逆作物的全新策略。

　　在這篇文章中，研究人員使用多靶點CRISPR/Cas9載體系統，精準靶向開花光周期敏感性、株型和果實同步成熟控制基因SP和SP5G的編碼區(Coding region)、果實大小控制基因SlCLV3 和SlWUS的順式調控元件(Cis-regulatory element) 和維生素C合成酶基因SlGGP1的上游開放閱讀框 (Upstream Open Reading Fragment, uORF)，獲得了140個獨立的基因編輯株系，后代群體的基因型和表型鑒定表明，基因編輯消除了野生番茄開花的光周期敏感性，突破了栽種的地理范圍限制，實現了野生植物馴化的第一步。

　　同時將醋栗番茄開花晚、坐果稀的無限生長型(Indeterminate)的株型變成了“雙有限”生長型(Double determinate)的緊湊株型，提高了坐果率、果實成熟的同步性和收獲指數。而對小肽基因SlCLV3 及其信號途徑下游基因SlWUS的順式調控元件和SlGGP1上游開放閱讀框的編輯使野生番茄果實變大，維生素C含量升高。鹽處理和瘡痂病菌接種實驗表明，上述重要農藝性狀的精準導入并沒有影響野生番茄的天然抗性。

　　這一研究首次通過基因編輯實現野生植物的快速馴化，為精準設計和創造全新作物提供了新的策略。

　　第二篇文章中，高彩霞研究組在前期研究基礎上利用Cas9變體(nCas9-D10A)融合人類胞嘧啶脫氨酶APOBEC3A (A3A)和尿嘧啶糖基化酶(UGI)，構成新的單堿基編輯系統A3A-PBE，成功在小麥、水稻及馬鈴薯中實現比PBE更加高效的C-T單堿基編輯。原生質體報告系統以及對小麥和水稻的10個內源基因靶點編輯結果表明，A3A-PBE編輯效率最高可達36.9%, 平均C-T編輯效率為13.1%, 比PBE的效率約高13倍；且此編輯系統脫氨化的窗口可覆蓋靶序列的17個核苷酸，相比PBE增加了10個核苷酸的活性窗口。

　　更重要的是，A3A-PBE的編輯不受GC序列的影響，依然有著高效的編輯活性，效率可高達42.1%。利用此技術體系，通過基因槍瞬時轉化對小麥抗除草劑基因TaALS和對單倍體誘導基因TaMTL進行編輯，效率分別達到22.5%和16.7%，且TaALS突變體對除草劑表現出顯著的抗性；通過農桿菌轉化法在水稻中的編輯效率高達82.9%。

　　此外，A3A-PBE可對馬鈴薯內源基因進行高效編輯，效果明顯優于PBE，且通過原生質體再生獲得了6.5%編輯效率的馬鈴薯突變植株。A3A-PBE堿基編輯系統具有高效、寬脫氨化窗口及對靶標C上文無序列偏好性等優勢，可拓寬植物單堿基編輯的范圍。

　　該體系的建立對實現植物基因組大規模體內飽和突變，研究植物基因功能及基因調控元件作用等具有重要的技術支撐意義。