基因组编辑技术在水稻功能基因组和遗传改良中的应用

基因组编辑技术对植物基因功能研究和作物遗传改良具有巨大的潜在价值。CRISPR/Cas9系统是继锌指核酸酶(ZFNs)和类转录激活效应因子核酸酶(TALENs)系统之后的新一代基因组编辑技术系统,具有操作简单和效率高等优点。概述了CRISPR/Cas9系统的技术特点及其在水稻基因功能研究及遗传改良中的应用,并指出了该系统在植物基因精准编辑中需要突破的关键问题。     

基因编辑新技术最新进展

借助基因编辑技术精准编辑植物基因组,得到性状优良、产量高的农作物种质是目前作物分子育种研究的主要趋势。目前主要的CRISPR/Cas9系统是由产脓链球菌的获得性免疫防御系统改编而来,该系统以其编辑高效、操作方便、成本低廉等明显优势在基因编辑技术中脱颖而出,广受青睐。利用CRISPR/Cas技术编辑作物基因组,能精确引入和改良目标性状,为作物遗传育种提供新途径。当前, CRISPR/Cas9技术在拟南芥、水稻、土豆、玉米等植物中得到普遍应用。该文简要阐述了锌指核酸酶、转录因子激活样效应物核酸酶以及CRISPR/Cas9系统的结构、作用机制及差异,重点综述CRISPR/Cas9系统目前在植物中的应用、其改良的CRISPR/Cpf1技术以及该系统相比于其他核酸酶的优势与局限性。     

CRISPR/Cas9的应用及脱靶效应研究进展

CRISPR/Cas9基因编辑技术在生命科学领域掀起了一场全新的技术革命,该技术可以对基因组特定位点进行靶向编辑,包括缺失、插入、修复等。CRISPR/Cas9比锌指核酸酶 (ZFNs)和转录激活因子样效应物核酸酶(TALENs)技术更易于操作,而且更高效。CRISPR/Cas9系统中的向导RNA(Single guide RNA, sgRNA)是一段与目标DNA片段匹配的RNA序列,指导Cas9蛋白对基因组进行识别。研究发现,设计的sgRNA会与非靶点DNA序列错配,引入非预期的基因突变,即脱靶效应(Off-target effects)。脱靶效应严重制约了CRISPR/Cas9基因编辑技术的广泛应用。为了避免脱靶效应,研究者对影响脱靶效应的因素进行了系统研究并提出了许多降低脱靶效应的方法。文章总结了CRISPR/Cas9系统的应用及脱靶效应研究进展,以期为相关领域的工作提供参考。     

CRISPR/Cas9运输系统的研究进展及其在基因相关疾病方面的应用

CRISPR/Cas9系统是细菌体在长期进化过程中抵御病毒或噬菌体DNA的一种适应性免疫系统。尽管近年来的一些基因编辑技术,如锌指核酸酶、转录激活因子效应物核酸酶等已经给基因编辑带来了许多便利,但CRISPR/Cas9系统以其独特的优势,给基因编辑领域带来了革命性的变化。CRISPR/Cas9系统在生物研究、基因相关疾病的治疗、疾病的基因水平研究等多方面都有广泛的应用。综述近年来CRISPR/Cas9运输系统的研究进展及其在基因缺陷疾病方面取得的应用成果,分析慢病毒和腺相关病毒运载基因编辑元件的利弊,并探讨CRISPR/Cas9系统在基因编辑效率方面的影响因素及仍然存在的问题。     

CRISPR/Cas9:一种新型的基因组定点编辑技术

CRISPR/Cas9系统是原核生物抵御病毒或质粒等外来遗传物质入侵的一种获得性免疫系统,主要由非特异性的Cas9核酸酶和起识别作用的cr RNA所组成。相较于传统的基因组编辑技术,基于CRISPR/Cas9系统的基因组定点编辑技术具有快速、简单、高效等优点,并且几乎可以用于任何物种的基因编辑。尽管CRISPR/Cas9系统的基因组特异性还有待进一步确认,但该系统在基因组编辑方面的简便性和有效性必将促进生物学的研究和人类疾病基因治疗方面的发展。     

新一代精准基因编辑工具CRISPR/Cas9的技术优势与应用局限

CRISPR/Cas9(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats/Cas9)是继锌指核酸酶(ZFNs)和类转录激活因子效应物核酸酶(TALENs)基因编辑技术之后的第三代基因编辑技术。CRISPR/Cas9在细菌和古生菌中广泛存在,是细菌在长期进化过程中形成的一种"适应性免疫防御",能够针对噬菌体感染、质粒接合和转化所造成的外源导入基因特异性识别、降解入侵的外源DNA,CRISPR/Cas9通过一段20 bp的短RNA来识别打靶位点的精准编辑技术。CRISPR/Cas9具有设计操作简便、编辑高效和通用性广等优点,是新一代具有革命意义的精准基因编辑技术。从CRISPR/Cas9的发现、作用机理、基因编辑以及应用局限等方面进行归纳总结,旨为理解其工作原理和精准基因编辑技术应用提供参考。     

CRISPR/Cas9与心血管疾病

CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)/Cas9(CRISPR-associated proteins)作为一种新型基因组编辑技术,为解释疾病的发生机制和治疗疾病提供了新方法。来自Ⅱ型原核CRISPR系统的CRISPR/Cas9能够通过单链向导RNA(single guide RNA, sgRNA)将Cas9核酸酶靶定到特定的基因组序列发挥作用。已经被成功用来进行基因编辑构建疾病模型,以进行相关领域的功能研究和疾病的治疗。CRISPR/Cas9技术正在迅速的应用于生物医学研究的各个领域,包括心血管领域,它促进了人们对电生理、心肌病、心律失常以及其他心血管疾病的更多了解,已经创建了靶向很多基因的细胞和动物模型,为新一类疗法打开了大门。本综述介绍了CRISPR/Cas9的作用原理、优点和局限性,以及在心血管疾病中的应用进展。     

CRISPR/Cas9介导的基因组定点编辑技术在丝状真菌中的研究进展

CRISPR/Cas9技术是在特定的RNA引导下,利用特异的核酸酶实现对基因组进行编辑的新技术。自2013年该技术体系建立起来已成功应用于动物、植物及真菌中。本文简述了3种基于核酸酶的基因编辑技术及其应用,概述了CRISPR/Cas9系统的组成及其作用机理,总结了CRISPR/Cas9在模式真菌酿酒酵母及丝状真菌中的应用,并就在丝状真菌中应用该技术时sg RNA表达盒的设计、Cas9表达盒的优化、抗性标记的筛选、受体的选择等方面提出具体的研究方法。另外,针对该技术应用过程中出现的脱靶效应、Cas9核定位信号的添加、启动子的选择及多个靶基因的编辑等问题提出了建议与展望,希望能够为初次涉足该领域的科研人员提供理论参考和技术支持。     

出芽短梗霉新菌株RM1603产普鲁兰多糖条件优化及多糖分析

目的:出芽短梗霉RM1603是一株高产胞外多糖新菌株,通过优化其产糖条件,鉴定其多糖结构,为进一步开发利用RM1603产胞外多糖奠定理论基础。方法:以RM1603为出发菌株,在单因素分析确定最佳氮源与无机盐的基础上,利用正交试验探究RM1603最佳发酵产糖条件;薄层层析及红外光谱分析确定胞外多糖产物结构。结果:出芽短梗霉菌RM1603的初始多糖产量为28.91g/L,发酵条件优化后产糖量达到65.213g/L,提高了约2.3倍;结构分析表明RM1603的多糖产物为普鲁兰多糖。结论:出芽短梗霉RM1603是一株具有较大产糖优势,极具开发潜力的高产普鲁兰糖新菌株;奠定了开发利用RM1603生产普鲁兰多糖的理论基础。     

褐飞虱应对水稻抗虫物质麦黄酮刺激的唾液蛋白组学响应

为研究褐飞虱响应麦黄酮刺激的分子机理,应用差异蛋白质组学方法分析褐飞虱唾液腺响应麦黄酮刺激处理的蛋白质组变化趋势。结果表明,麦黄酮处理褐飞虱6 h差异蛋白数量90个,其中上调蛋白62个,下调蛋白28个;处理褐飞虱24 h差异蛋白数量27个,其中上调蛋白10个,下调蛋白17个,6 h的差异蛋白数量显著大于24 h。麦黄酮处理可以引起褐飞虱唾液腺丝氨酸蛋白酶及其同系物产生显著变化。通过对差异蛋白进行GO功能分析和KEGG通路分析,发现麦黄酮处理褐飞虱引起褐飞虱唾液腺蛋白变化主要集中在应激蛋白和代谢这两大类上,分别占了所有差异蛋白的50%以上,麦黄酮处理引起褐飞虱唾液响应蛋白主要参与了氨基酸代谢、唾液分泌系统、能量代谢、碳水化合物代谢等通路。     

云南省斑翅果蝇寄生性天敌昆虫种类调查

斑翅果蝇作为危害蓝莓、杨梅、葡萄、樱桃等软皮水果的重要害虫之一,已经引起国内外广泛关注,明确斑翅果蝇寄生性天敌昆虫的种类、分布和自然寄生状况,可以为斑翅果蝇天敌的保护利用提供科学依据。本文通过在云南省斑翅果蝇适生区采集斑翅果蝇的栽培寄主和野生浆果果实,带回实验室培养5~8d,解剖果实并挑出斑翅果蝇蛹,收集其中羽化的斑翅果蝇寄生性天敌昆虫,并记录其种类和数量,计算寄生率。本研究共采集调查了45种植物果实,有15种植物果实可被斑翅果蝇危害,其中杨梅中的斑翅果蝇种群数量最大,达到96.03头/百果;共收集到5种斑翅果蝇的寄生蜂,其中幼虫寄生蜂有丽盾瘿蜂Ganaspis brasiliensis、细毛瘿蜂Leptopilina japonica和反颚茧蜂Asobara sp.,蛹寄生蜂有果蝇锤角细蜂Trichopria drosophilae和蝇蛹金小蜂Pachycrepoideus vindemmiae,寄生蜂的自然寄生率最高可达27.81%。结果表明,丽盾瘿蜂的虫口数量最多,分布最广,为斑翅果蝇的田间优势种寄生蜂。斑翅果蝇的寄生性天敌昆虫在斑翅果蝇化蛹后的1~2周达到羽化高峰期,对斑翅果蝇具有较好的自然控制作用。     

果实蝇求偶行为与求偶歌

果实蝇Bactrocera是危害经济作物的一类重要农业害虫,研发有效的果实蝇防控技术是现代农业产业发展的迫切需求。雄性不育技术是防控果实蝇高效绿色的防控方法。深入研究果实蝇求偶行为是雄性不育技术顺利开展的前提,也能为开发新防控技术提供有效的生物学靶标。本文将以果蝇研究作为对照,对果实蝇求偶行为与求偶歌的研究相关进展进行总结。果实蝇求偶行为基本属于预交配求偶行为,但其求偶歌中是否具有物种特异性的特征参数还有待验证。这为下一步开展果实蝇求偶行为与求偶歌的研究工作提供了基本依据与方向性引导。     

国产驴蹄草的细胞地理学研究（英文）

为探讨国产毛茛科(Ranunculaceae)驴蹄草属(Caltha)两种植物的演化,该文利用传统染色体压片技术和流式细胞术,并结合前人染色体研究结果,对我国驴蹄草23个居群和花葶驴蹄草10个居群进行了细胞学研究。结果表明:驴蹄草是由四倍体(2n=4x=32)、六倍体(2n=6x=48)和八倍体(2n=8x=64)构成的多倍体复合群,花葶驴蹄草具有四倍体(2n=4x=32)和八倍体(2n=8x=64)两种倍性水平。驴蹄草和花葶驴蹄草均是四倍体较为常见,目前尚未见有二倍体报道。由于驴蹄草和花葶驴蹄草大部分居群采自中国青藏高原地区,可能在冰期时存在古二倍体,其适应性较弱,逐渐被其他的倍性取代,这是由于不同细胞型对环境适应性的结果。驴蹄草可能存在两条进化路线:一条是从甘肃到达云南;另一条是从西藏到达云南。前期分子系统学研究显示花葶驴蹄草与驴蹄草的亲缘关系较近,该研究结果中花葶驴蹄草染色体比驴蹄草要小,花葶驴蹄草可能比驴蹄草相对进化。目前花葶驴蹄草只有10个居群,还需进一步增加居群量来解析其演化路线。     

极端高温和持续中等高温对小菜蛾耐热性的影响

气候变化频率的增加和持续时间的延长,导致具有较短生活史的大部分农业害虫的某一个或某几个生命阶段都可经历热浪的胁迫。热浪对小型昆虫的生态学效应取决于不同生命阶段的耐热性,因而解析特定龄期下昆虫生命阶段的耐热性对理解气候变暖热浪频发的生态学影响具有重要意义。本研究以世界重要蔬菜害虫小菜蛾为研究对象,试验了小菜蛾4龄幼虫、成虫的基底耐热性和诱导耐热性,以及1龄幼虫和3龄幼虫置于不同高温[(31±1)、33±1)、35±1)℃]和暴露时间(3、6、9、12d)组合的持续中等高温耐热性。试验发现幼虫和成虫具有不同的基底和诱导耐热性,具有较弱基底耐热性的幼虫反而具有更强的诱导耐热性。不同生命阶段在持续数天的中等高温胁迫下具有不同的存活表现,早期生命阶段存活率较后期阶段的低,而且这种差异在较强高温下表现得尤为明显。昆虫不同阶段耐热性的差异,对种群的维持具有重要的生态学意义。大多数农业害虫田间种群具有混合年龄结构,热浪后耐热的发育阶段的存活,保证种群可以一直生存和繁衍下去。     

利用CRISPR/Cas9技术构建流感病毒高产细胞系MDCK-Tpl2-/-

Tpl2是调节I型(IFNα/β)和II型(IFNγ) IFN的关键调控因子,对病毒感染期间产生有效免疫应答至关重要。为了建立支持流感病毒高效繁殖的新型MDCK细胞系,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建Tpl2基因敲除的MDCK细胞,绘制其细胞生长曲线;根据《中国药典》第三部,对细胞进行形态检查、内外源因子和致瘤性检测;流感病毒接种细胞(MOI=0. 1),测定12h、24h、48h、72h细胞培养上清的血凝滴度及72h TCID50滴度。结果:靶基因组测序结果显示,获得一株稳定敲除Tpl2的MDCK细胞(MDCK-Tpl2^-/-);其与亲本细胞生长速率无显著差异,均为贴壁、上皮样细胞形态;细胞内细菌、真菌、支原体、病毒及致瘤性检测均为阴性;病毒接种后12h、24h、48h、72h,MDCK-Tpl2^-/-细胞培养上清的血凝效价提高了1. 78～2. 5倍。病毒接种后72h,MDCK-Tpl2^-/-细胞培养上清病毒的TCID50滴度提高了2. 8倍。结果表明,利用Tpl2缺陷型MDCK细胞系可以提高流感病毒产量,为提升疫苗质量奠定基础。     

昆虫嗅觉相关可溶性蛋白的研究进展

昆虫在长期进化过程中形成了一套高度敏感的嗅觉系统,通过该系统昆虫可以完成寻觅配偶、定位寄主及选择产卵位点等多种行为。在昆虫嗅觉系统中的可溶性蛋白主要有气味结合蛋白(odorant-binding protein, OBP)和化学感受蛋白(chemosensory protein, CSP)。OBP可以特异性结合并运输疏水性的气味分子相应的受体,是昆虫化学识别过程的第一步,具有十分重要的作用。CSP与OBP的结构和功能类似,主要参与化合物的识别和运输,尽管没有直接的证据表明CSP也参与了昆虫的化学感受过程,但已有研究发现,CSP在昆虫嗅觉系统中发挥着重要的作用。本文主要从分子特性、蛋白结构、表达模式、生理功能等方面分别对昆虫的OBP和CSP进行了概述,为深入的研究两者的功能提供理论参考,进而为以昆虫嗅觉系统为靶标的害虫防治提供新的思路。     

生理盐水实验性干预对肉鸡盲肠微生物区系和短链脂肪酸含量的影响

目的研究生理盐水实验性干预对肉鸡盲肠微生物区系和短链脂肪酸含量的影响,以期为早期菌群干预实验的研究提供一定的理论依据。方法选取80只初出壳的小鸡,随机分为2组,分别为对照组(C组)和生理盐水组(S组)。出壳后前2 d,连续每天给S组小鸡灌服0.5 mL灭菌的生理盐水,C组不做处理。第3天,第7天于两组分别随机挑选8只鸡,测定其体重后屠宰取其盲肠内容物,采用Illumina Miseq高通量测序技术对盲肠内容物菌群结构进行测定,并用气相色谱法测定盲肠内容物中短链脂肪酸的含量。结果生理盐水实验性干预对肉鸡早期阶段的平均日增重无显著影响(P>0.05)。在门的水平上,两组肉鸡盲肠菌群占比基本相似,厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)为早期肉鸡肠道内的优势菌门。在属的水平,3日龄时S组肉鸡盲肠中拟杆菌属(Bacteroides)和蓝细菌属(Cyanobacteria_norank)的相对丰度较C组分别提高了160%和143%(P<0.05);7日龄时,两组间盲肠菌属的相对丰度无显著差异。此外,生理盐水实验性干预可极显著降低3日龄肉鸡盲肠内容物中乙酸、丁酸和异戊酸的含量(P<0.01),但7日龄时两组肉鸡盲肠内容物中短链脂肪酸的含量无显著差异(P>0.05)。结论生理盐水实验性干预会对3日龄肉鸡盲肠菌群结构及短链脂肪酸含量产生一定的影响,但这种影响不具有持续性,随着日龄的增加会逐渐消失。