STEME系统:一种助力体内定向进化的新工具

通过定向进化(directed evolution)可以快速进行蛋白工程改良及重要基因功能研究,以获得新型农艺性状突变体。近期,中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队和李家洋团队合作构建了新型的饱和靶向内源诱变编辑器(saturated targeted endogenous mutagenesis editors, STEMEs),并在植物中实现了基因的定向进化和功能筛选。该系统融合了现有的2种单碱基编辑技术,成功实现在植物体内同时诱导C:G>T:A、A:T>G:C双碱基编辑,通过靶向OsACC羧基转移酶结构域编码序列定向进化出水稻除草剂抗性植株。这种在体内进行基因定向进化的新方法,对于今后农作物重要农艺性状的筛选和功能基因研究具有重要作用。本文对STEME系统的组成、编辑效率和应用原理进行介绍,并与已有的定向进化方法进行比较,为加速作物种质资源创新研究提供参考。     

Hi-Meth：特定位点DNA甲基化高通量检测平台

胞嘧啶甲基化是DNA表观遗传修饰的主要类型之一,在维持正常细胞功能和调控基因表达中具有重要作用。重亚硫酸盐测序法(bisulfite sequencing PCR,BSP)是特异性位点DNA甲基化检测的通用方法,能明确目的片段中每一个CpG位点的甲基化状态,但此方法需要大量的单克隆测序,操作过程较繁琐、成本昂贵。因此,开发准确、高效、便捷的DNA甲基化检测技术对提升表观遗传研究效率具有重要意义。基于本课题组开发的高通量突变类型检测平台Hi-TOM (high-throughput tracking of mutations),我们进一步建立了特定位点DNA甲基化高通量检测平台Hi-Meth (high-throughput detection of DNA methylation)。DNA样品通过重亚硫酸盐处理之后,仅需一轮PCR扩增即可通过Hi-Meth平台获得特定位点DNA甲基化分析结果。利用Hi-Meth平台,对水稻不同基因启动子区域进行了DNA甲基化检测分析,并与基于BSP方法获得的结果进行了比较。结果表明,Hi-Meth策略与BSP策略检测结果基本一致。而且通过Hi-Meth平台可以更准确、便捷地获得特异性位点DNA甲基化分析结果。综上所述,Hi-Meth为特定DNA区域提供了重要的甲基化检测平台,对表观遗传研究具有重要意义。     

Cas9蛋白变体VQR高效识别水稻NGAC前间区序列邻近基序

成簇的规律间隔短回文重复序列及CRISPR相关蛋白(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated 9, CRISPR/Cas9)系统是近年来发展起来并被广泛应用的第三代基因组编辑工具。但是,该系统的酿脓链球菌Cas9(Streptococcus pyogenes, SpCas9)仅能识别NGG前间区序列邻近基序(protospacer adjacent motif, PAM),极大地限制了基因组编辑的范围。SpCas9变体VQR(D1135V/R1335Q/T1337R)在水稻中可识别NGAA、NGAG和NGAT PAM,但尚不清楚是否能识别NGAC PAM。本研究利用改进后的CRISPR/VQR系统对水稻中3个相对低效的VQR靶位点NAL1-Q1、NAL1-Q2和LPA1-Q进行了编辑,结果表明改进后的CRISPR/VQR系统可以高效编辑这3个靶位点,编辑效率分别为9.75%、43.90%和29.26%。为了明确改进后的CRISPR/VQR系统对NGAC PAM的识别情况,本研究选择水稻叶片宽度调控基因NARROW LEAF 1 (NAL1)中的NAL-C位点和蜡质合成基因GLOSSY1 (GL1)中的GL1-C位点进行基因编辑,并获得57株转基因水稻。靶位点PCR扩增及测序结果表明,NAL1-C和GL1-C靶标位点突变的植株分别为27株和44株,突变率分别为47.36%和77.19%;其中NAL1-C/GL1-C双突变植株为26株,双突变率为45.61%。进一步分析表明,CRISPR/VQR系统造成的突变有4种类型,分别为杂合突变、双等位突变、嵌合体突变和纯合突变,其中以杂合突变和双等位突变为主。这些结果表明,改进的CRISPR/VQR系统可以高效编辑水稻NGAC PAM位点,并产生丰富的突变类型。本研究为水稻及其他植物相关基因NGAC PAM位点的编辑提供了理论依据。     

CRISPR-Cas系统在植物基因组编辑中的研究进展

基因组定点编辑技术是研究基因功能和生物体改造的重要工具。CRISPR-Cas(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats and CRISPR-associated proteins)系统是近年来发展的一种新型基因组编辑技术,该技术通过一段向导RNA和配套的核酸酶就可对特定的基因组序列进行定点编辑,具有简单高效、应用广泛的特点,受到了生物学家的广泛关注。本文着重介绍CRISPR-Cas系统在植物中的研究进展,包括CRISPR-Cas9系统在植物中的应用与完善、扩大基因组编辑范围的研究、Cas9切口酶和失活酶的拓展、特异性单碱基突变编辑系统的研究、无外源DNA污染的植物基因编辑技术的发展以及基因组编辑技术在作物育种上的应用等方面。同时也提出了还需解决的问题,并展望了基因组编辑系统在作物育种中的应用前景,为开展这一领域的研究工作提供参考。