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。

Progress in Research of CRISPR/Cas9 System in Genome Targeted Editing in Plants