CRISPR/Cas技术及其在作物遗传育种中的应用

简要概述了ZFN、TALEN和CRISPR/Cas系统3种基因组编辑技术的工作原理,介绍了CRISPR/Cas技术在功能基因组学研究、候选基因功能分析(验证)、分子育种方面的应用及其在作物产量、品质、抗病性及水稻雄性不育系创制上的研究进展,提出该项技术在植物遗传育种应用中的新思路及安全性等研究方向。     

利用CRISPR/Cas9基因编辑技术优化作物育种

介绍1项目前应用广泛的基因编辑技术CRISPR/Cas9。CRISPR是细菌有效防止病毒和噬菌体侵入的手段。在sgRNA的指导下,Cas9定点切割DNA,导致双链DNA断开,随即可以直接对细胞进行基因编辑。CRISPR/Cas9是一种创造性的分析和编辑植物基因序列的新技术。其高效性和快捷性对农业生产具有重大的发展意义。科学家可以利用其高度靶向的特点对基因进行定位和编辑,在不改变作物农艺性状的同时优化它们的产量、营养品质和对环境的适应性。     

基因编辑技术及其水稻中的发展和应用

CRISPR/Cas系统作为一种新兴的基因编辑系统,以其简单、高效、特异性高等特点已广泛应用于植物功能基因组研究和品种改良。在本文中,首先,我们系统总结了CRISPR/Cas技术及其衍生技术在植物中的开发和优化;其次,重点介绍了基于基因组编辑技术的水稻种质和品种改良的最新进展,并描述了基于基因编辑技术的水稻育种新策略,这是传统育种很难实现的;最后,还讨论了基因编辑技术在未来作物和粮食生产中所要面对的挑战。     

茶树咖啡碱合成酶CRISPR/Cas9基因组编辑载体的构建

CRISPR/Cas9技术是一门新兴的基因组定点编辑技术,具有操作简单、高效的优点,可轻松实现对目标基因的敲除、替换和定点突变等操作。该技术刚诞生,就受到了全球生命科学领域研究者的关注,不到3年的时间就已经成功应用于多种动、植物当中。然而CRISPR/Cas9技术在茶树中的应用面临载体构建问题,本文以茶树咖啡碱合成酶为例,联合采用常规PCR、Overlapping PCR和Golden Gate Cloning技术,构建了包含茶树咖啡碱合成酶双靶点的CRISPR/Cas9基因编辑载体,为CRISPR/Cas9介导的基因组编辑技术在茶树中的应用奠定了坚实基础。     

基于提高CRISPR/Cas基因编辑效率的研究进展

CRISPR基因编辑技术发展迅速,为功能基因的研究及遗传改良提供了技术支持。提高基因组编辑效率成为使用基因编辑技术的基本点,目前已取得了重要进展。本文结合CRISPR/Cas系统的作用原理、晶体结构,着重介绍目前提高编辑效率的最新研究进展,对CRISPR/Cas基因编辑效率的提高进行分析并提出改进策略。     

CRISPR/Cas9介导的多基因编辑系统在大豆中的应用

自CRISPR/Cas9（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9）基因 组编辑技术发现以来，迅速在作物中得到广泛应用。但是，CRISPR/Cas9多基因编辑系统在大豆中的研究尚待开 发。本文利用CRISPR/Cas9介导的多基因编辑系统，分别构建了两个载体，一个载体含6个靶点，编辑7个大豆基因 （4个Glycine max ASYMMETRIC LEAVES1（GmAS1）同源基因和3个GmAS2 同源基因），另一个载体含8个靶点，编辑 11个G. max AGAMOUS 家族同源基因（4个GmAG 同源基因，2个G. max SEEDSTICK（GmSTK）同源基因和5个G. max SHATTERPROOF1（GmSHP1/2）同源基因）。大豆遗传转化后，经表型鉴定和靶点检测发现，CRISPR/Cas9介导的多 基因编辑系统在大豆中成功实现了多基因编辑。当3个GmAS1 同源基因和3个GmAS2 同源基因同时突变时，导致 大豆叶片向远轴面弯曲、皱缩且叶柄变短的表型。当2个GmSHP1 同源基因和2个GmSTK 同源基因同时突变时，导 致豆荚停止发育的不育表型。     

产油微藻基因组编辑技术研究进展

微藻生物量与油脂产量偏低是目前微藻油脂难以商业化生产的主要原因之一,新型基因编辑技术TALEN和CRISPR/Cas9在解析油脂合成代谢的关键基因以及进一步遗传改造产油藻株方面有巨大潜力。本文主要介绍了TALEN和CRISPR/Cas9技术的基本原理,以及它们在产油微藻中的研究进展,并展望了两种技术在研究产油微藻功能基因和构建工业株系方面的应用前景。     

利用发根农杆菌体系检测大豆CRISPR/Cas9系统的靶点

作为一种基因编辑的新技术，CRISPR/Cas系统已被广泛应用于各种生物的基因工程中。但CRISPR/Cas9 基因编辑系统还存在着一定的脱靶现象，确定基因编辑靶点选择的可行性可提高基因编辑效率。本研究选用大豆 GmCO 基因为靶标，使用CRISPR/Cas9基因编辑系统来构建靶点的基因敲除载体，并且利用发根农杆菌K599菌株 对大豆子叶进行侵染，再通过植物组织培养的方法促使大豆外植体长出不定根，通过不定根检测发现在靶点2处出 现了碱基的缺失，说明成功实现了对大豆目标基因的编辑。此方法操作简单，周期短，实现了对大豆中选择靶点的 可行性的快速鉴定，为研究大豆的GmCO 基因功能和遗传改良方面提供了新的技术支持。     

抗除草剂水稻种质资源研究进展

概述了除草剂的常见类型及其作用机制,综述了抗除草剂水稻育种的研究进展,展望了CRISPR/Cas9基因编辑技术在抗除草剂水稻育种研究中的应用与发展前景。     

利用 CRISPR/Cas9 系统编辑拟南芥 2 个双链结合蛋白

CRSPR/Cas9 系统可对植物的内源基因进行有效定点编辑,为获得基因缺失突变体提供了新的方向。本研究在双链结合蛋白（dsRNA-binding protein,DRB）DRB3 和 DRB5 两个基因外显子的保守序列设计 2 个靶点,并构建与 tRNA 串联的双靶点 CRISPR/Cas9 表达载体。通过一次转化,获得了 DRB3 或 DRB5 单独被编辑或同时被编辑的拟南芥突变体 dcl2drb4 转基因 T1 代植株,为研究 DRB3、DRB5 是否参与 DCL4 介导的抗病毒 RNA 沉默通路奠定基础。     

Progress of CRISPR/Cas9 technology in breeding of Brassica napus

Gene editing technology provides important technical basics for the research in plant functional genes and crop genetic improvement. CRISPR/Cas9-mediated gene editing is an effective experimental tool for crop genome directed editing in recent years, which has been widely used in many crops as rice, wheat and other crops. CRISPR/Cas9 system was expected to be a powerful experimental tool in genetic improvement and molecular design breeding of rapeseed. This paper, which based on the development history and the latest research of CRISPR/Cas9-mediated gene editing technology in rapeseed, summarized the progress of CRISPR/Cas9 including plant type improvement, yield traits, quality improvement, disease and stress resistance improvement, yellow seed creation and other utilizes at present. The application scope, development direction and target analysis method of this technology in rape were focused. The problems of CRISPR/cas9 system in rapeseed breeding were analyzed and the improvement strategies were discussed. Finally, views on direction of rapeseed breeding by gene editing were emphasized.     

Improvements of TKC Technology Accelerate Isolation of Transgene-Free CRISPR/Cas9-Edited Rice Plants

Elimination of the CRISPR/Cas9 constructs in edited plants is a prerequisite for assessing genetic stability, conducting phenotypic characterization, and applying for commercialization of the plants. However, removal of the CRISPR/Cas9 transgenes by genetic segregation and by backcross is laborious and time consuming. We previously reported the development of the transgene killer CRISPR (TKC) technology that uses a pair of suicide genes to trigger self-elimination of the transgenes without compromising gene editing efficiency. The TKC technology enables isolation of transgene-free CRISPR-edited plants within a single generation, greatly accelerating crop improvements. Here, we presented two new TKC vectors that show great efficiency in both editing the target gene and in undergoing self-elimination of the transgenes. The new vectors replaced the CaMV35S promoter used in our previous TKC vector with two rice promoters to drive one of the suicide genes, providing advantages over our previous TKC vector under certain conditions. The vectors reported here offered more options and flexibility to conduct gene editing experiments in rice.     

甘蓝型油菜和甘蓝CRISPR/Cas9编辑效果的快速检测

CRISPR/Cas9系统是目前最常用的基因组定点编辑工具，通过瞬时表达试验提前验证Cas9/sgRNA载体诱导的突变效率，可以提高基因组定点编辑成功的几率，且显著节省费用及时间。本研究开发了一种利用农杆菌介导的操作简单、适用性好、成本低廉的叶片瞬时表达技术，可用于快速检测甘蓝型油菜和甘蓝中CRISPR/Cas9的编辑效果。针对甘蓝型油菜BnaC.WRKY11.a设计了2个靶位点Tgt1（Target 1）和Tgt2（Target 2），并构建了Cas9/sgRNA-Tgt1/2多重突变载体，在甘蓝型油菜叶片中瞬时表达后，2个靶位点都出现突变，突变效率达11.2%～82.2%。针对甘蓝BolPDS3基因设计了1个靶位点Tgt3（Target3），并构建了Cas9/sgRNA-Tgt3敲除载体，在甘蓝叶片瞬时表达后，Tgt3发生了突变，且大部分为碱基缺失突变，缺失的数目为1～18bp不等，同时还存在少量碱基插入以及碱基替换等突变类型。结果表明这种甘蓝型油菜和甘蓝的叶片瞬时表达技术操作简单、适用性好、成本低廉，CRISPR/Cas9的编辑效果快速易检测。