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玉米基因組編輯團隊在植物基因組精確編輯技術方面再獲新進展

發布時間:2020/7/20 14:58:28   閱讀次數:


 堿基編輯技術(Base editing)是基于CRISPR/Cas系統發展起來的新型靶基因修飾技術,在2017年被Science雜志評為年度十大科學技術突破之一。現有堿基編輯技術可編輯的類型局限于C:G>T:A或A:T>G:C的堿基替換。雖然利用同源重組等方法理論上也可以實現任意類型堿基的編輯,但因其極低的效率和復雜的操作,應用范圍也相對有限。2019年10月,哈佛大學DavidLiu研究團隊在哺乳動物中開發了基因組引導編輯系統,為在植物中進行堿基自由編輯提供了新的方向和思路。

 

 最近,我院玉米DNA指紋及分子育種北京市重點實驗室基因組編輯團隊在Cell旗下植物頂級期刊Molecular Plant(即時IF=13.1,生物學Q1期刊)上發表了題為“Versatile Nucleotides Substitution in Plant Using an Improved Prime Editing System”的研究文章,成功建立了一種高效的植物引導編輯技術,突破了原來堿基編輯技術的限制,實現了堿基替換(C:G>A:T和A:T>C:G)及堿基轉換(C:G>G:C和A:T>T:A),尤其在面對多堿基編輯情況時,該技術更加高效和精準。本研究首先對動物細胞中報道的引導編輯技術系統進行了啟動子置換和密碼子優化,并在穩定轉化的T0苗中進行了技術測試,結果發現該系統雖然工作,但與在動物細胞中相比,效率普遍較低。當利用自切割多肽串聯表達PE系統和篩選標記,改由玉米的泛素基因啟動子驅動,并配合使用強化sgRNA引導時,引導編輯技術的效率得以大幅提升,平均提升8倍以上,其中增效最高的靶點效率提升至26%,增加了21倍,而且在原來不工作的絕大多數靶點上也都實現了堿基的精確編輯。就精準性而言,除了在兩個效率較高的靶點上檢測到了少量非預期插入和刪除外,其他靶點都僅含有預先設計的堿基替代,表明該技術的精確度是可以信賴的。值得一提的是,本研究選擇的目標靶點大部分都是在生產實踐中有重要應用價值,但現有堿基編輯技術不能編輯或編輯效率極低的靶點,如吡氟氯禾靈除草劑抗性位點和乙酰乳酸合成酶抑制劑抗性位點等,引導編輯技術在這些位點上的編輯成功,顯示了該技術在作物精準快速育種方面的潛力。本研究與最近在Nature biotechnology上及同期背對背發表的相關研究都是聚焦于植物引導編輯技術,有些數據可以相互驗證,但大家在基礎系統及優化手段上各不相同,并在增效辦法上具有很強的互補性,共同為未來的植物引導編輯技術優化和應用提供了基礎,一起為植物功能基因組學優異等位基因研究、水稻、玉米等重要農作物的快速、精準育種提供技術支撐。

 

 徐雯、張成偉為本文共同第一作者,楊進孝為通訊作者。本研究得到北京學者(BSP041)和我院創新團隊項目(JNKYT201603)資助。玉米基因組編輯團隊是2017年由玉米DNA指紋及分子育種重點實驗室引進建設的技術創新團隊,目前團隊主要聚焦于堿基編輯、精確替換、組學編輯及其在玉米和水稻等作物中的高效應用。這是該團隊自引進以來在國際學術期刊上發表的第6篇高水平研究論文。

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