馬克斯·普朗克分子植物生理學(xué)研究所的科學(xué)家們?cè)凇禢ature Biotechnology》發(fā)文，正將CRISPR工具(又名“基因剪刀”)的突破性進(jìn)展用于編輯植物基因組，這標(biāo)志著方法上的變化。通過(guò)將嫁接與“移動(dòng)”CRISPR工具相結(jié)合，這一發(fā)現(xiàn)可以簡(jiǎn)化和加速新型、基因穩(wěn)定的商業(yè)作物品種的開發(fā)。

未經(jīng)修改的芽被嫁接到含有可移動(dòng)CRISPR/Cas9的根上，這允許基因剪刀從根移動(dòng)到芽上。它在那里編輯植物DNA，但不會(huì)在下一代植物中留下自己的痕跡。這一突破將節(jié)省時(shí)間和金錢，規(guī)避目前植物育種的限制，并有助于多種作物的可持續(xù)糧食解決方案。

養(yǎng)活全世界的許多作物已經(jīng)受到高溫、干旱和植物病蟲害的威脅，而氣候變化正進(jìn)一步加劇這些因素。為了在具有挑戰(zhàn)性的條件下確保這些重要植物在未來(lái)獲得高效和有效的作物產(chǎn)量，可以使用CRISPR/Cas9系統(tǒng)高精度編輯植物基因組，以引入有益的基因功能或去除不利的基因功能。盡管CRISPR/Cas9是植物育種的巨大進(jìn)步，但它仍然是一種昂貴而費(fèi)力的解決方案，使其在大多數(shù)植物中應(yīng)用不可行。德國(guó)馬克斯·普朗克分子植物生理學(xué)研究所的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)最近取得的進(jìn)展克服了這些限制。

RNA作為CRISPR載體

商業(yè)作物植物需要在基因上是穩(wěn)定的，它們不能包含任何來(lái)自CRISPR/Cas9系統(tǒng)的基因序列，并且應(yīng)該是無(wú)轉(zhuǎn)基因的。通常情況下，這是通過(guò)多代異交或繁瑣的再生過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這兩種方法都是時(shí)間和金錢密集型的，而且很困難，甚至在許多作物種植中是不可能的。由Friedrich Kragler領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家開始改變這一狀況。作為歐盟資助的PLAMORF項(xiàng)目和德國(guó)研究部資助的概念驗(yàn)證項(xiàng)目的一部分，他們正在研究使RNA從根移動(dòng)到芽的運(yùn)輸序列。研究小組發(fā)現(xiàn)tRNA樣序列(TLS)，它作為RNA在植物內(nèi)長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。最近的突破是將這一發(fā)現(xiàn)與CRISPR/Cas9基因組編輯系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。當(dāng)將這樣的TLS添加到CRISPR/Cas9序列中時(shí)，植物會(huì)產(chǎn)生“移動(dòng)”版本的CRISPR/Cas9 RNA。然后，將無(wú)轉(zhuǎn)基因、未修飾的芽移植到含有可移動(dòng)CRISPR/Cas9 RNA的植物根部，然后從根進(jìn)入芽，最終進(jìn)入產(chǎn)生種子的花朵。

“神奇發(fā)生在花朵中，”Kragler解釋道。“CRISPR/Cas9 RNA進(jìn)入并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的蛋白質(zhì)，這是真正的‘基因剪刀’。它編輯花朵中的植物DNA。但是CRISPR/Cas9系統(tǒng)本身并沒有整合到DNA中。因此，從這些花發(fā)育出來(lái)的種子只攜帶所需的編輯。在下一代植物中沒有CRISPR/Cas9系統(tǒng)的蹤跡，它的工作效率驚人地高?！?/p>

用于多種作物植物的編輯系統(tǒng)

讓這個(gè)新系統(tǒng)更令人興奮的是它有可能將不同物種結(jié)合在一起?？茖W(xué)家們表明，這種“編輯”方法不僅在根和芽來(lái)自同一種植物時(shí)才有效——在這種情況下，模型植物是擬南芥。他們還將其商業(yè)親戚油菜的嫩枝嫁接到擬南芥根上，從而產(chǎn)生可移動(dòng)的CRISPR/Cas9。令人鼓舞的是，F(xiàn)riedrich Kragler的團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了經(jīng)過(guò)編輯的油菜植物。

“我們的新型基因編輯系統(tǒng)可以有效地用于許多育種計(jì)劃和作物植物。這包括許多重要的農(nóng)業(yè)植物物種，它們很難或不可能用現(xiàn)有方法進(jìn)行改造?！彼偨Y(jié)道。

Lei Yang, Frank Machin, Shuangfeng Wang, Eleftheria Saplaoura und Friedrich Kragler. Heritable transgene-free genome editing in plants by grafting of wild-type shoots to transgenic donor rootstocks. Nature Biotechnology