农科智库编译全球基因编辑研究最新进展

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“十三五”时期北京农业科技创新能力评价研究报告

基因编辑西红柿可能成为维生素D新来源

近期，来自英国约翰英尼斯中心（John Innes Centre）、智利康赛普西翁大学（University of Concepción）等机构的研究团队通过基因组编辑开发出一种来自植物的新维生素D膳食来源。

该研究通过基因编辑技术改变番茄维生素D3的积累，修改了茄科植物中植物甾醇生物合成的重复部分，可促进维生素D3合成，从而提供一种生物强化食品。已知维生素D缺乏会削弱免疫功能并导致炎症，还与癌症、帕金森病、抑郁症、神经认知功能下降、痴呆症等多种疾病的严重程度和风险增加有关。

该研究团队使用CRISPR-Cas9基因编辑技术敲除了编码酶Sl7-DR2的基因，以促使维生素D3原（7-DHC）在成熟番茄果实中积累。为了验证7-DHC是否可以转化为对人体有益的维生素D3，研究人员将番茄进行了UVB照射，结果发现，一个番茄中由7-DHC转化为维生素D3的含量相当于两个中等大小鸡蛋或28克金枪鱼中的维生素D3含量。

这项技术也可以应用于其他茄科植物，如甜椒、辣椒、茄子和土豆。此外，经基因编辑的番茄植株叶子也含有大量7-DHC，该研究团队正在寻找将果实以外的废弃物转化为植物维生素D补充剂的方法。这项研究已于近日发表在《自然植物》上。

美国开发新工具提高植物基因组编辑能力

美国马里兰大学农业和自然资源学院的科学家开发了一种可以编辑植物中多个靶标基因，同时调控其他关联基因表达的系统，名为CRISPR Combo。CRISPR-Cas9及其衍生的碱基编辑器和CRISPR激活系统，极大地推动了植物基因组工程的发展。然而，这些系统大多单独使用，其组合潜力在很大程度上尚未开发。

CRISPR Combo是一个基于单个Cas9蛋白的多功能CRISPR系统，用于在植物中同时实现基因组编辑（靶向突变或碱基编辑）和基因激活。首先，研究人员利用CRISPR-Combo激活拟南芥中的成花基因FT的表达，并同时诱导PYL1和AP1突变，或碱基编辑ALS和ACC2位点，结果显示，该方法可显著促进植物提前开花，从而更快地产生种子。其次，利用该系统激活杨树的形态发生基因（WUS和WOX11），可有效促进杨树不定芽和不定根的再生，并加速杨树的体外繁殖。最后，该系统通过激活水稻的胚胎发育基因BBM1以及同时引发GW2和GN1a突变，以增强水稻的再生能力。研究证明，CRISPR Combo可为作物育种提供广泛的应用前景。研究成果发表在2022年5月的《自然植物》杂志上。

美科学家找到一种促进基因组编辑植物育种的方法

美国佛罗里达大学食品与农业科学研究所（UF/IFAS）的科学家发现了一种利用植物发育调控因子（Development regulators，一种调控植物发育和生长的基因）将DNA导入植物细胞组织，培育整株植物的新方法。

植物遗传转化是将基因组编辑等生物技术应用于植物科学基础研究和应用研究的关键步骤，其成功主要依赖于基因导入植物细胞的效率和转基因植物的再生能力。科学家发现，将一种名为PLT5的植物发育调控因子导入植物茎中，有助于金鱼草和西红柿长出新芽。此外，PLT5可以帮助卷心菜幼叶或叶柄在培养皿中长成整株植物。一般来说，植物细胞很难通过组织培养长成整株植物。通过应用PLT5，科学家更有效地将基因或DNA片段传递到植物细胞中，植物可以更有效地从细胞水平生长到成年期。

研究结果表明，对PLT5的操作是提高植物和离体转化效率的有效途径，该方法（转化体系）可用于促进基因组编辑或其他植物生物技术在现代农业中的应用。

韩国开发生物钟基因编辑白菜

韩国研究人员利用CRISPR/Cas9技术对白菜的生物钟基因进行编辑，发现了能够提高白菜生产性能和品质的育种材料。生物钟基因之一的PRR1（peseudo response regulator）与植物在高温和低温下的压力反应有关，也与光合作用产物的生产和消耗过程有关。白菜有两个PRR1基因：PRR1a和PRR1b，研究团队利用CRISPR/Cas9技术开发了PRR1a编辑白菜和PRR1a、PRR1b同时编辑的白菜。其中PRR1a编辑白菜的幼苗下胚轴延长，生理节奏周期可提前3个小时，由此研究人员推测：PRR1a在白菜生长中发挥着重要作用。后续研究人员将检测基因编辑白菜对高温、寒冷等极端温度压力的应激表现和抗逆性，以及其代谢产物和葡萄糖酸酯等功能性成分的变化。研究结果发表于《国际分子科学杂志》。

科学家在优化糖基化酶碱基编辑器方面取得研究进展

中国科学院与大连工业大学合作，在优化糖基化酶碱基编辑器（GBE）方面取得新的研究进展。为了提高GBE碱基编辑器的编辑效率，科研团队将转录激活因子VP64融合表达在GBE编辑器脱氨酶的氨基端（Vp64-APOBEC-nCas9-UNG），结果表明Vp64-APOBEC-nCas9-UNG的C-to-G编辑效率比GBE有显著提高。为进一步扩大APOBEC-nCas9-UNG的应用范围，研究分别融合表达了SunTag系统与SpRY-Cas9，构建了SunTag-GBEs和SpRY-GBEs。与GBE相比，SunTag-GBEs在哺乳动物细胞中的编辑效率、编辑纯度和编辑框均有显著提升。同时，SpRY-GBEs克服PAM序列的限制，实现了靶向位点范围的拓展。该研究通过不同策略对GBE进行优化，获得性能更优越的GBE突变体。研究成果于2022年7月19日发表于《细胞通讯》。

科学家利用CRISPR-Cas9提高水稻收获前穗发芽抗性

为了提高水稻收获前穗发芽抗性，南京农业大学的研究团队开发了一种新的CRISPR/Cas9编辑策略，对优良高产的粳稻品种宁粳6号进行基因编辑，生成种子休眠水平更高的OsABA8oxs突变株系。通过对目标基因进行分子鉴定、监测主要农艺性状以及检测多项生理生化指标，研究团队培育出6个转基因突变株系，并进行了为期三年的评估。敲除OsABA8ox基因，特别是OsABA8ox1，显著增强了种子的休眠性并提高了水稻收获前穗发芽抗性。结果表明，OsABA8ox1基因经编辑修饰后的突变系，其种子ABA8OX含量降低，内源脱落酸（ABA）水平增加，从而增强了ABA信号传导，最终导致更长的种子休眠期。当在其他品种中敲除该基因时，也产生了类似结果，证实了OsABA8ox1基因的遗传修饰作用在谷物育种中具有重要的应用潜力。

原文来源：John Innes Centre、Nature、Phys.org、Research Square等

编译机构：

北京市农林科学院数据科学与农业经济研究所

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