CRISPR/Cas9系统及其在作物育种中的应用

基因编辑是一项对目的基因进行修饰的新技术,由成簇规律间隔短回文重复序列(Clustered regularly in-terspaced short palindromic repeats,CRISPR)及其关联蛋白(CRISPR associated,Cas)组成的系统(CRISPR/Cas)为新一代基因编辑技术,其中Cas9蛋白与CRSPR结合形成的编辑系统CRISPR/Cas9因其简单易操作的特性已广泛应用于植物基因组编辑,发展潜力巨大.文章论述了CRISPR/Cas9系统的作用原理、发展历程及在植物基因组中的定点编辑效应,并分析CRISPR/Cas9在水稻、小麦、玉米等作物育种中的应用现状,发现其在改良水稻产量和质量相关性状、小麦白粉病抗性及玉米乙烯敏感等性状上效果明显.在今后的研究中,应针对不同作物的育种目标,深入了解目标基因的功能作用来设计相应的操作方案,并提高该系统对作物目的基因改良的效率,加强其安全性等,以促进基因编辑在作物育种中的应用,加快育种进程.     

CRISPR/Cas植物基因组编辑技术研究进展

基因编辑技术的发展与应用为植物功能基因研究和作物遗传改良提供了重要的技术支撑。近年诞生的CRISPR/Cas基因编辑系统(主要包括CRISPR/Cas9和CRISPR/Cas12a)与其他的基因编辑技术相比,具有操作简单、效率高等优势,因此在动植物中均得到广泛应用。本文结合CRISPR/Cas基因编辑技术体系的发展历史及最新研究进展,着重介绍了该技术在植物领域中的应用范围和发展方向,以及基因编辑植物的靶点分析方法;对目前CRISPR/Cas基因编辑技术体系存在的问题进行了分析并提出了改进策略。     

新型基因编辑技术发展及在植物育种中的应用

近年来出现了几种新型基因编辑技术,包括锌指核酸酶(ZFN)、转录激活子样效应因子核酸酶(TALEN)、规律性重复短回文序列簇与Cas9(CRISPR/Cas9)系统。这些基因编辑技术是通过特异性结构识别靶位点,核酸酶发挥切割作用,对靶位点进行定点编辑,由于此类基因编辑技术具有高效准确、制作简单的特点,已被广泛应用到植物基因功能研究和定向改良植物性状方面。在此综述上述3种新型基因编辑技术的原理,比较不同编辑技术的差异,总结在拟南芥、烟草、水稻、玉米等作物育种中的应用,指出基因编辑存在的问题,对这些技术在基础研究及育种实践中的应用进行展望。     

CRISPR/Cas9基因编辑技术在植物病原真菌中的应用研究进展

CRISPR/Cas9是在细菌、古细菌基因组中含有的一种成簇有规律的间隔短回文重复序列,该结构被其用于抵御外来微生物基因入侵。通过对上述结构进行改装从而形成一种基因编辑方法,与传统的锌指核酶和转录激活因子样效应物核酶基因编辑方法相比,CRISPR/Cas9基因编辑技术具有更高效的优势。本文以CRISPR/Cas9系统的组成、作用机制和运用原理为切入点,系统总结了该技术在植物病原真菌(稻瘟病菌、橡胶树胶孢炭疽菌、玉米黑粉病菌等)中的致病相关基因组定点编辑应用情况,明确了当前在植物病原真菌中应用CRISPR/Cas9系统的编辑效率整体较低,不同sgRNA设计工具、目的等对编辑效率、靶向特异性的潜在影响,以及宏观突变检验方式的偏差问题等局限性,并提出了该系统应用范围的扩大、编辑效率的提高以及新型编辑方式的挖掘等建议与展望。     

CRISPR/Cas9基因编辑技术在植物中的应用与政策监管

基因编辑技术是一种在基因组水平上对DNA序列进行精准修饰,从而促使基因组序列定向改造的技术。随着近几年CRISPR/Cas9技术的快速发展,基因组编辑技术在作物育种领域发挥了越来越重要的作用。本文综述了基因编辑技术的发展历程,以及CRISPR/Cas9的工作原理,分析了CRISPR/Cas9的局限性并提出了改进方法。重点阐述了植物CRISPR/Cas9基因编辑体系的建立、在植物性状改良方面的应用,以及最终致力于基因编辑产品商业化的应用案例。同时还分析了美国、欧盟、英国、日本和中国这5个代表性国家/地区的基因编辑监管政策和态度,以期为我国科学监管框架的建立提供参考,促进CRISPR/Cas9在我国乃至全球的产业化应用。     

基因组编辑技术及其检测鉴定方法研究进展

基因编辑技术指能够对目标基因进行编辑,实现对特定DNA片段的敲除、加入等技术。目前,该技术主要包括锌指蛋白系统、转录激活因子样效应核酸酶系统和成簇的规律间隔短回文重复序列系统,基本原理都是通过序列特异性核酸酶特异切割DNA靶位点,产生DNA双链断裂,诱导DNA的损伤修复机制,从而实现对指定基因组的定向编辑。本文概述了3种基因编辑技术的原理,对它们的优缺点进行比较,并阐述了CRISPR基因编辑技术在动物和植物育种中的应用,以及基于CRISPR技术的DNA分子检测新方法的建立和应用。其次,阐述了对CRISPR等基因编辑产品筛选和检测鉴定的方法,比较了几种筛选方法的检测周期、灵敏性、人工成本等。最后,对基因编辑技术的发展前景进行了展望。     

基因编辑技术在水稻抗病基因与育种研究中的应用进展

水稻是我国重要的粮食作物之一,更是世界上30多亿人的主要食物来源。近几十年,各种病原菌、虫害、气候变化以及其他不利环境因素层出不穷,对全球粮食安全生产构成了严重威胁。对于高产抗病水稻植株的研究需求越发迫切,但传统育种手段过程繁琐复杂、效率不高,因此利用基因编辑技术推进水稻抗病育种进程成为研究重点。其中以CRISPR系统、锌指核酸酶(ZFN)、转录激活样效应因子核酸酶(TALEN)、单碱基编辑系统(BE)和引导编辑系统(PE)等为代表的技术,在对水稻进行高效定点基因编辑,在缩短育种周期,培育综合抗性强的水稻品系方面起到了较大作用,并在基因研究、作物遗传改良等方面展示出了巨大的潜力。本文对基因编辑技术的原理,基因编辑技术的发展,以及基因编辑技术在水稻抗病基因及育种研究中的应用进展进行了综述,并展望了基因编辑技术在抗病育种中的应用前景。     

基因编辑CRISPR/Cas9技术在农业领域的应用

CRISPR/Cas9系统通过靶向突变对植物基因组进行编辑,是研究基因功能和作物改良的第三代基因编辑工具。本文介绍了CRISPR/Cas9打靶系统基本结构、工作原理,并展示了其在作物基因功能研究和品质改良中的应用前景。     

基因编辑技术及CRISPR/Cas系统在草地植物开发中的应用

随着高通量测序技术的兴起,功能基因组学研究得以迅猛发展.基因组定点修饰技术作为一项研究特定基因功能的工具,对功能基因组学的研究具有极强的推动作用.CRISPR/Cas系统是一种适应性免疫防御系统,在细菌、古细菌的长期演化过程中形成,用于对抗入侵的病毒及外源DNA.通过对各种基因编辑技术的对比,发现相比于DNA同源重组、锌指核酸酶(ZFNs)和转录激活因子样效应物核酸酶(TALENs)等技术,基于RNA指导的CRISPR/Cas系统为基因组定点编辑开辟了一条新的道路,在基因功能研究中具有效率高、成本低、易于操作等显著优点.从作用机制和发展历程等方面对目前基因编辑的4种技术进行简述,进一步总结CRISPR/Cas系统在经济林木、作物、植物病毒和牧草植物功能基因组编辑中的研究应用,以期为促进基因编辑技术在农牧生产中的应用提供参考.     

植物CRISPR/Cas技术研究进展及其在林业科学研究中的应用

近年来,CRISPR/Cas系统在基因编辑领域展现出强大的定点编辑能力,在植物基础研究和分子育种等方面发挥了不可替代的作用.本文综述了CRISPR/Cas系统的发展历程,及其在植物研究应用中的遗传转化方法和鉴定方法等;同时还介绍了这种基因编辑技术在植物领域的多种研究新方向;并详细概述了CRISPR/Cas系统在林木基因功能分析鉴定等基础科研方面的应用情况;最后展望了该技术在林业科学研究中的应用前景,以期为后续相关的林木遗传改良等研究提供参考.     

CRISPR/Cas9基因组定向编辑技术的发展与在作物遗传育种中的应用

CRISPR/Cas9系统是近年发展起来的、由导向RNA介导的基因组定向编辑技术。总结了CRISPR/ Cas9基因组定向编辑技术的发展历程,并综述了其在作物遗传育种研究中的多方面应用。CRISPR/Cas系统是存在于大多数细菌与所有古生菌中的一种后天免疫系统,以消灭外来质体或者噬菌体。 根据Cas蛋白组分及氨基酸序列不同,已发现的CRISPR/Cas系统可以分为3种不同类型,Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。其中,Ⅱ型是以Cas9蛋白及导向RNA为核心组份,组成较为简单,是目前经过改造用于开发基因组定向编辑技术的主要类型。自CRISPR/Cas9技术体系首先在人类与动物细胞系中建立后,经过改造的CRISPR/Cas9系统被迅速地应用于拟南芥、烟草、高粱、水稻、小麦、玉米等不同植物基因组的定向编辑研究中。CRISPR/Cas9与ZFNs或TALENs一样都是通过自身的核酸内切酶活性引起靶位点DNA序列双链断裂,然后通过非同源末端连接或同源重组介导的修复2种方式引入突变。至今,在多种作物中已实现诱导产生多种定点突变（包括插入、缺失或修饰等）,并可获得较高的突变诱导率和可稳定遗传的基因组编辑后代植株。与ZFNs或TALENs技术相比,CRISPR/Cas9技术可以实现对基因组中多个靶基因同时进行编辑,从而可以用来修饰同一基因家族中的不同成员或同一代谢途径中的不同调控基因,为其一大优势。由于CRISPR/Cas9技术具有突变诱导率高、成本低、易于操作及可以多重基因编辑等特点,已成为具有广阔应用前景的作物遗传改良与育种研究的分子操作系统。CRISPR技术除了可以对基因组中不同靶基因进行定向编辑以外,还可以广泛地应用于基因表达调控研究、细胞定位运输系统研究及新型RNA沉默系统构建等方面。基因组编辑技术是继转基因技术之后人类对生物进行遗传操作的又一个革命性技术。但是,与转基因技术相比,CRISPR/Cas9基因组编辑技术操作更加简单、快捷。应用CRISPR/Cas9基因组编辑技术进行育种可以不引入外源基因,在进行基因组编辑之后可以不留下转基因的痕迹,从而导致定义转基因生物的不明确性,因此,政府监管部门是否应该按照转基因的管理办法来监管CRISPR/Cas9技术的应用尚有待决定。     

CRISPR/Cas技术在农业育种中的应用

农业生产是保障粮食安全的关键。农业育种技术的提高对于提高农产品产量和品质至关重要。近年来飞速发展起来的成簇规律间隔短回文重复序列-相关核酸酶(clustered regularly iinterspersed short palindromic repeats-CRISPR associated protein, CRISPR/Cas)技术作为基因编辑技术的主要手段,在农业育种实践中发挥着越来越重要的作用。本文综述了植物CRISPR/Cas技术在农业育种尤其是粮食作物与经济作物育种中的进展,为进一步利用CRISPR/Cas技术进行新品种培育提供一定的理论基础。     

基因编辑技术的新进展及展望

随着生物技术的不断发展,传统的转基因技术由于其不能定点整合、遗传不稳定等难以解决基因定点改良与改造问题,所以科研工作者一直致力于寻找简单、高效率、低成本、精准定位等优势的新型转基因技术,掀起了一股基因编辑技术研究的热潮,新的基因编辑技术不断涌现。本文从成簇有规律间隔的短回文重复序列及相关蛋白(CRISPR/Cas)的技术改进与新应用以及一些新出现的技术,如NgAgo技术、结构引导的核酸内切酶(SGN)、腺苷脱氨酶(ADAR)、肽核酸(PNA)、5'末端突出的复合物DNA(TD)等方面,阐述基因编辑技术的新进展,并展望基因技术的应用前景,希望能够为相关研究者提供参考     

CRISPR/Cas9系统在植物基因组定点编辑中的研究进展

当外源DNA通过转基因技术导入植物细胞后,会以同源重组或非同源重组两种不同的方式整合到基因组中,进而获得相应的目标性状。外源DNA与受体细胞序列相同或相近的位点发生重新组合,从而整合到受体细胞的染色体上称之为同源重组;当发生了DNA双链断裂的细胞为了避免DNA或染色体断裂而造成DNA降解或对生命力的影响,而强行将2个DNA断端彼此连接在一起时则为非同源重组。发生非同源重组的细胞其基因组常出现核苷酸片段的插入和/或缺失以及其他突变等多种情况,使得研究者无法得到精确控制的突变结果;而发生同源重组的细胞基因组序列通常不变,通过加入同源重组的供体DNA,可以实现对基因组的精确修饰和改造。由于在植物中产生自发同源重组的概率很低,对植物基因组进行精确修饰和改造非常困难,位点特异性核酸酶的出现和应用,大大提升了同源重组的效率,使基因组编辑变得更加高效和精确,从而使得对包括植物在内的任何物种进行基因组编辑都将成为可能。锌指核酸酶（ZFN）和TALE核酸酶（TALENs）是能够使DNA的靶位点产生DNA双链断裂进而实现基因组定点编辑的常用系统,但在具体应用中发现这两种系统存在着许多缺陷和不足,如脱靶效应、与基因组进行特异结合与染色体位置及邻近序列有关等,另外技术难度大、构建组装时间长也限制了其应用。CRISPR/Cas系统广泛存在于细菌及古生菌中, 是机体长期进化形成的RNA指导的降解入侵病毒或噬菌体DNA的适应性免疫系统。Ⅱ型CRISPR/Cas系统经过密码子优化等改造后已成为继锌指核酸酶ZFNs和TALENs后的新型高效定点编辑的新技术,具有突变效率高、制作简单、易操作及成本低的特点。目前,该技术成功应用于人类细胞、斑马鱼、小鼠以及细菌的基因组精确编辑,编辑的类型包括基因的定点插入、小片段的缺失、多个位点同时突变、基因定点的indel突变等。目前,CRISPR/Cas系统在植物中的应用还比较有限,但该技术为植物基因工程的发展呈现了美好的前景。文中首先简要介绍了CRISPR/Cas系统的组成和基本原理,进而详细综述了该技术在植物内源基因和外源基因定点编辑中的应用,主要列举了自CRISPR/Cas系统改造成功以来利用该系统对单子叶和双子叶植物进行基因组定点编辑的案例,最后对基因组编辑技术在农业和植物基因工程上的应用进行了展望,希望能够为开展该领域研究的科研工作者提供参考。