深圳子科生物報道：中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所10月1日連發(fā)兩篇Nature Biotechnology文章，分別運用基因編輯技術(shù)精準(zhǔn)靶向多個產(chǎn)量和品質(zhì)性狀控制基因的編碼區(qū)及調(diào)控區(qū)，加速了野生植物的人工馴化；以及構(gòu)建新的單堿基編輯系統(tǒng)A3A-PBE，成功在小麥、水稻及馬鈴薯中實現(xiàn)比PBE更加高效的C-T單堿基編輯。

在第一篇文章中，中科院許操研究組和高彩霞研究組合作，選用天然耐鹽堿和抗細菌瘡痂病的野生醋栗番茄(Solanum pimpinellifolium) 為基礎(chǔ)材料，運用基因編輯技術(shù)精準(zhǔn)靶向多個產(chǎn)量和品質(zhì)性狀控制基因的編碼區(qū)及調(diào)控區(qū)，在不犧牲其對鹽堿和瘡痂病天然抗性的前提下，將產(chǎn)量和品質(zhì)性狀精準(zhǔn)地導(dǎo)入了野生番茄，加速了野生植物的人工馴化。

馴化是伴隨人類文明發(fā)展而出現(xiàn)的一種進步行為，作物馴化使人類可以把野生植物改造成穩(wěn)定生產(chǎn)食物的栽培作物，但隨著馴化和改良的不斷深入，作物的遺傳多樣性和對生物與非生物脅迫的抗性逐漸降低，抗逆育種遭遇瓶頸。為了提升作物的抗逆性，傳統(tǒng)育種通過雜交的方式將野生種的抗逆性狀導(dǎo)入栽培種，這種方式需耗時多年，而且常伴隨連鎖累贅，導(dǎo)致抗逆性狀的導(dǎo)入降低了作物的產(chǎn)量或品質(zhì)。

近年來，全球氣候變化導(dǎo)致溫度上升，產(chǎn)生了很多新的病蟲害和極端天氣，作物面臨越來越多的逆境挑戰(zhàn)，亟需全新的、更為精準(zhǔn)的作物改良策略應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，以保障人類的食物安全。基于人們對于作物馴化的遺傳和分子規(guī)律的認識，使用基因編輯技術(shù)對具備天然抗逆性的野生植物進行從頭馴化(De novo domestication)，是獲得抗逆作物的全新策略。

在這篇文章中，研究人員使用多靶點CRISPR/Cas9載體系統(tǒng)，精準(zhǔn)靶向開花光周期敏感性、株型和果實同步成熟控制基因SP和SP5G的編碼區(qū)(Coding region)、果實大小控制基因SlCLV3 和SlWUS的順式調(diào)控元件(Cis-regulatory element) 和維生素C合成酶基因SlGGP1的上游開放閱讀框 (Upstream Open Reading Fragment, uORF)，獲得了140個獨立的基因編輯株系，后代群體的基因型和表型鑒定表明，基因編輯消除了野生番茄開花的光周期敏感性，突破了栽種的地理范圍限制，實現(xiàn)了野生植物馴化的第一步。

同時將醋栗番茄開花晚、坐果稀的無限生長型(Indeterminate)的株型變成了“雙有限”生長型(Double determinate)的緊湊株型，提高了坐果率、果實成熟的同步性和收獲指數(shù)。而對小肽基因SlCLV3 及其信號途徑下游基因SlWUS的順式調(diào)控元件和SlGGP1上游開放閱讀框的編輯使野生番茄果實變大，維生素C含量升高。鹽處理和瘡痂病菌接種實驗表明，上述重要農(nóng)藝性狀的精準(zhǔn)導(dǎo)入并沒有影響野生番茄的天然抗性。

這一研究首次通過基因編輯實現(xiàn)野生植物的快速馴化，為精準(zhǔn)設(shè)計和創(chuàng)造全新作物提供了新的策略。

第二篇文章中，高彩霞研究組在前期研究基礎(chǔ)上利用Cas9變體(nCas9-D10A)融合人類胞嘧啶脫氨酶APOBEC3A (A3A)和尿嘧啶糖基化酶(UGI)，構(gòu)成新的單堿基編輯系統(tǒng)A3A-PBE，成功在小麥、水稻及馬鈴薯中實現(xiàn)比PBE更加高效的C-T單堿基編輯。原生質(zhì)體報告系統(tǒng)以及對小麥和水稻的10個內(nèi)源基因靶點編輯結(jié)果表明，A3A-PBE編輯效率最高可達36.9%, 平均C-T編輯效率為13.1%, 比PBE的效率約高13倍；且此編輯系統(tǒng)脫氨化的窗口可覆蓋靶序列的17個核苷酸，相比PBE增加了10個核苷酸的活性窗口。

更重要的是，A3A-PBE的編輯不受GC序列的影響，依然有著高效的編輯活性，效率可高達42.1%。利用此技術(shù)體系，通過基因槍瞬時轉(zhuǎn)化對小麥抗除草劑基因TaALS和對單倍體誘導(dǎo)基因TaMTL進行編輯，效率分別達到22.5%和16.7%，且TaALS突變體對除草劑表現(xiàn)出顯著的抗性；通過農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法在水稻中的編輯效率高達82.9%。

此外，A3A-PBE可對馬鈴薯內(nèi)源基因進行高效編輯，效果明顯優(yōu)于PBE，且通過原生質(zhì)體再生獲得了6.5%編輯效率的馬鈴薯突變植株。A3A-PBE堿基編輯系統(tǒng)具有高效、寬脫氨化窗口及對靶標(biāo)C上文無序列偏好性等優(yōu)勢，可拓寬植物單堿基編輯的范圍。

該體系的建立對實現(xiàn)植物基因組大規(guī)模體內(nèi)飽和突變，研究植物基因功能及基因調(diào)控元件作用等具有重要的技術(shù)支撐意義。

原文標(biāo)題：

Domestication of wild tomato is accelerated by genome editing

Efficient C-to-T base editing in plants using a fusion of nCas9 and human APOBEC3A

http://www.nature.com/articles/nbt.4261