中国农业科学院作科所综述植物碱基编辑和引导编辑技术研发现状与展望

　　2022年12月8日，中国农业科学院作物科学研究所/三亚南繁院作物精准育种技术创新团队应邀在《植物学报（Journal of Integrative Plant Biology,JIPB）》在线发表综述文章，重点回顾了碱基编辑器和引导编辑器的发展历程及在农作物改良中的应用，提出了植物碱基编辑器和引导编辑器未来研发方向。

 

　　农作物品种改良本质是优异等位基因的聚合，然而，由于基因连锁效应，在育种实践中导入优异等位基因往往需要经过多年多代连续杂交和回交转育，费力耗时。CRISPR/Cas基因编辑技术可以对靶基因进行定点删除、替换和插入，由于其操作简便、编辑效率高、多靶点编辑等优势，在基因功能研究及农作物重要农艺性状改良方面展现了广阔的应用前景。通常，农作物品种间的差异只是等位基因间少数几个碱基或小片段的差异，利用基因组精准编辑技术可以实现定点碱基替换、小片段替换或插入，快速、定向、高效创制农作物新材料，进而培育农艺性状优良的农作物新品种。

 

　　目前，CRISPR/Cas介导的基因组精确编辑技术主要有3种，包括同源重组技术（HDR）、单碱基编辑技术和引导编辑技术。由于植物细胞中CRISPR/Cas介导的HDR发生频率低、特别是植物细胞中由于细胞壁的限制，无法高效将足量的修复模板递送至双链断裂缺口附近，因此在植物中进行HDR仍然具有挑战性。与HDR相比，单碱基编辑和引导编辑技术不需要双链断裂缺口和外源供体修复模板的参与。单碱基编辑技术可以在靶区域精确地将一种碱基对突变成另一种碱基对。引导编辑技术可以在靶区域内实现所有类型的单碱基自由转换和颠换以及小片段定点替换和插入。单碱基编辑和引导编辑技术的研发和利用，大大扩展了植物基因组精确编辑的范围和能力，为农作物重要农艺性状精准定向改良，提供了重要技术支撑。

 

　　该文首先详细综述了各种碱基编辑器和引导编辑器研发的最新进展及其在农作物遗传改良中的应用。在此基础上，该文推荐了目前在农作物基因功能研究和遗传改良中，几种较为高效的碱基编辑器（图1），如evoFERNY-CBE碱基编辑器（图A），TadA9-ABE或者hyTadA8e-ABE碱基编辑器（图B），以及高效的引导编辑器如PEmax（图D）和携带evopreQ1的pegRNA（图E）组合。在此基础上，结合代理碱基编辑和引导编辑体系，可进一步提高植物单碱基编辑和引导编辑效率。最后，该文提出了植物碱基编辑器和引导编辑器的未来优化和改良方向，如缩小或拓展碱基编辑器的编辑窗口，开发适合于不同用途的碱基编辑器；通过引入单链退火蛋白等元件，开发更为高效的引导编辑器；开发引导编辑介导的大片段等位基因替换或插入技术体系等。

 

　　作科所/海南崖州湾种子实验室博士后李晶莹与助理研究员张臣博士为论文共同第一作者，夏兰琴研究员为通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、中国农业科学院南繁育种专项、海南崖州湾种子实验室和中国农业农村部基因编辑技术重点实验室（海南）项目资助。

 

　　文章链接：https://doi.org/10.1111/jipb.13425