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基于同源重组的 CRISPR 精准基因编辑技术 及其在农作物育种中的应用
引用本文:江桐欣,李晓琳,朱庆锋,张 琪,张爱霞,刘勤坚,于 洋,刘文华.基于同源重组的 CRISPR 精准基因编辑技术 及其在农作物育种中的应用[J].广东农业科学,2022,49(11):119-127.
作者姓名:江桐欣  李晓琳  朱庆锋  张 琪  张爱霞  刘勤坚  于 洋  刘文华
作者单位:1. 广东省农业科学院农业生物基因研究中心 / 广东省农作物种质资源保存与利用重点实验室, 广东 广州 510640;2. 仲恺农业工程学院农业与生物学院,广东 广州 510225
基金项目:广东省基础与应用基础研究区域联合基金 - 重点项目(2019B515120061);广东省重点领域研发计划 项目(2018B020202006);广东省农业科学院学科团队建设项目(202131TD);广东省科技计划项目(2020B121201013)
摘    要:随着 CRISPR 基因编辑技术的出现,几乎在任何动植物细胞基因组的特定目标位点,DNA 大片段 的“无缝”插入或替换,均可在 CRISPR 核酸酶产生双链切口后,在供体 DNA 存在的情况下,诱导同源定向修 复来实现。目前,这种基于同源重组的 CRISPR 精准基因编辑在农作物基因功能分析和新技术育种中正发挥着 越来越重要的作用。围绕在植物细胞中高效实现同源重组介导的 CRISPR 精准编辑这一目标,简述 CRISPR 精 准编辑依赖的两种主要的基于同源重组的细胞修复机制,即合成依赖的链退火修复机制和非同源末端连接辅助 的单链退火修复机制;在此基础上,详述产生 DNA 双链切口并诱导同源重组定向修复的 CRISPR 核酸酶和供体 DNA/RNA,主要包括 Cas9/12 及其融合蛋白、sgRNA/crRNA 及其修饰物、供体 DNA/RNA 及其修饰物;进而总 结在植物遗传转化中为保障 DNA 双链切口和供体 DNA/RNA 发生的时空一致性以提高同源重组效率,而通常采 用的 CRISPR 组分及供体 DNA/RNA 细胞递送方式;最后从功能基因组学研究和农作物新技术育种等方面,展望 基于同源重组的 CRISPR 精准基因编辑技术的应用前景。

关 键 词:CRISPR  DNA  双链切口  同源重组  同源定向修复  基因编辑

Homologous Recombination-based CRISPR Precision Gene Editing Technology and Its Application in Crop Breeding
JIANG Tongxin,LI Xiaolin,ZHU Qingfeng,ZHANG Qi,ZHANG Aixi,LIU Qinjian,YU Yang,LIU Wenhua.Homologous Recombination-based CRISPR Precision Gene Editing Technology and Its Application in Crop Breeding[J].Guangdong Agricultural Sciences,2022,49(11):119-127.
Authors:JIANG Tongxin  LI Xiaolin  ZHU Qingfeng  ZHANG Qi  ZHANG Aixi  LIU Qinjian  YU Yang  LIU Wenhua
Abstract:With the advent of CRISPR technologies, almost at any specific locus in any genome of animal or plant, large-size DNA fragment can be inserted or replaced seamlessly following the occurrence of CRISPR nuclease-produced double-strand break (DSB) and donor DNA, and the induction of homology-directed repair (HDR) can be realized. At present, the homologous recombination (HR)-based CRISPR precision gene editing plays increasingly important roles in crop gene functional analysis and new techniques breeding. In this review, aiming at effective realization of HR-based CRISPR precision gene editing in plant cells, we briefly review the two HR-based mechanisms underlying CRISPR precision gene editing, i.e., synthesis-dependent strand annealing (SDSA) and non-homologous end joining (NHEJ) assisted single strand annealing (SSA). Based on this, we elaborate the DSB-producing and HDR-inducing CRISPR nucleases and DNA/RNA donors, mainly including Cas9/12 and fusion proteins, sgRNA/crRNA and modifiers, and donor DNA/ RNA and modifiers. Furthermore, we summarize the adopted delivery systems of CRISPR components and donor DNA/ RNA during plant genetic transformation, in light of keeping spatiotemporal consistency of DSB and donor DNA/RNA to improve HR efficiency. Finally, we provide an outlook for the promising applications in crop functional genomics study and new techniques breeding of HRbased CRISPR precision gene editing.
Keywords:CRISPR  DNA double-strand break  homologous recombination  homology-directed repair  gene editing
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