CRISPR/Cas9系統(tǒng)逐漸成為作物育種的一種重要基因組編輯工具。雖然已有研究證明，目標突變可以傳遞給下一代，但是它們的遺傳方式尚未*闡明。六月十九日，安徽省農科院的研究人員在Nature子刊《Scientific Reports》發(fā)表題為“Generation of inheritable and “transgene clean” targeted genome-modified rice in later generations using the CRISPR/Cas9 system”的學術論文，描述了CRISPR/Cas9介導的、四個不同水稻基因的基因組編輯。
本文通訊作者分別為安徽省農科院院長楊劍波研究員和安徽省農科院水稻研究所副研究員魏鵬程。楊劍波研究員早年畢業(yè)于安徽農業(yè)大學，1997年在中科院等離子體所獲博士學位，曾赴美國明尼蘇達大學研修植物生物技術，長期從事植物生物技術和輻射誘變的研究工作。主持承擔國家攻關、國家“863”計劃、科技部“973”項目、科技部支撐計劃、合作項目、農業(yè)部轉基因重大專項、農業(yè)部科技成果轉化資金、安徽省重大科技攻關等多項科研課題。國內外重要學術刊物上發(fā)表研究論文100余篇，其中20篇被SCI收錄。
魏鵬程2008年博士畢業(yè)于中國農業(yè)大學，2008年至2011年分別在美國加州大學和佛羅里達大學從事博士后研究，主要從事作物生物技術應用基礎和作物逆境響應調控機理研究?，F(xiàn)為安徽省農科院“主要農作物基因調控元件分析和應用”科技創(chuàng)新團隊專家，安徽省“115”產業(yè)創(chuàng)新團隊“水稻分子育種團隊”團隊助理，入選安徽省第九批學術和技術帶頭人后備人選。發(fā)表SCI論文20多篇,其中以*作者或通訊作者在《Plant Physiology》《Plant Journal》《Plant Cell Environment》等刊物上發(fā)表論文十篇。
在作物中產生所需的基因多樣性，是基本功能基因組學研究和農業(yè)分子育種的主要目標。利用工程核酸酶的基因編輯，例如，鋅指核酸酶（ZFN）和轉錄激活因子樣效應核酸酶（TALEN），可有效地在植物基因組的特定位點產生遺傳變異。這些核酸酶可誘導位點特異性雙鏈斷裂（DSBs），然后通過同源重組（HR）或非同源末端連接（NHEJ）修復。
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zui近，更便宜和更容易使用的基因編輯系統(tǒng)——（CRISPR）/ CRISPR相關蛋白9（cas）系統(tǒng)，已被證明可在各種植物中實現(xiàn)的基因組編輯，包括水稻、擬南芥、煙草、小麥、高粱、玉米、番茄、苔類植物等等。由于其簡單、快速和廣泛的適用性，該系統(tǒng)已新興成為植物生物學基礎研究各個方面的一個有力工具。此外，CRISPR/Cas9系統(tǒng)也已成功地應用于改良作物性狀。利用CRISPR/Cas9基因編輯，研究人員可同時靶定六倍體基因組中一個抗病基因的三個拷貝，在普通小麥中人工創(chuàng)baifeng病的性狀。該研究小組zui近的研究也表明，通過CRISPR/Cas9基因編輯可快速改良水稻中的一種抗除草劑性狀。延伸閱讀：用CRISPR編輯樹木基因組。
雖然CRISPR/Cas9已日益成功應用于位點特異性的植物基因組編輯，但是大多數(shù)的數(shù)據(jù)是來自于過渡相試驗或穩(wěn)定轉基因事件*代。事實上，有限的研究表明，在擬南芥、煙草、番茄和水稻中，CRISPR/Cas9產生的靶向基因組修飾可能傳遞到下一代。在擬南芥中，早世代中的大多數(shù)突變是體細胞突變，從而使我們很難預測下一代中的靶基因型。相比之下，在水稻中通過類似的CRISPR/Cas9系統(tǒng)產生的大多數(shù)假定純合突變，表明是胚系突變，根據(jù)經(jīng)典遺傳學理論可以進行傳遞。
基因編輯因不同物種、靶位點、轉基因方法和CRISPR/Cas9構建而有所差異，因此，作物中發(fā)生的傳遞模式仍然需要進一步探索。此外，雖然遺傳模式已經(jīng)在擬南芥后代中深入研究，但只有初步的數(shù)據(jù)顯示了水稻后代中修飾模式的遺傳傳遞模式。因此，應該更詳細地研究水稻后代中定向編輯的遺傳模式。
脫靶效應是CRISPR/Cas9系統(tǒng)應用中的另一個主要問題。在人類細胞中，脫靶突變實際上是由CRISPR/Cas9誘導的，但是CRISPR/Cas9在植物中的特異性尚不清楚。利用深度全基因組測序和大規(guī)模篩選的獨立研究表明，脫靶突變在擬南芥、水稻和煙草中很罕見。然而，有研究小組在對一個水稻家族進行多基因敲除的時候，觀察到了相對高頻率的脫靶突變。在動物研究中，sgRNAs的精心設計被認為可有效避免的脫靶突變，也有研究小組開發(fā)出幾種生物信息學工具，來促進植物中的sgRNA設計，但是其穩(wěn)定性仍有待于實驗測試。
在這項研究中，研究人員借助于在線靶標設計工具，對水稻四個不同的基因進行了CRISPR/Cas9介導的基因編輯。在T0代中觀察到了高頻率誘變和比例較大的假定等位基因突變。而且，這些研究結果還表明，雙等位基因T0株系后代的基因型往往很難預測，突變的傳遞基本上不符合經(jīng)典的遺傳規(guī)律，這表明，T0代轉基因水稻中的突變主要是體細胞突變。
接下來，研究人員探索了T1植株的遺傳模式。不管是否存在CRISPR/Cas9轉基因，T1株系中的突變可穩(wěn)定地傳遞給后代，從而指出了一種標準的種系傳遞模式。研究人員對脫靶效應進行了評價，結果表明，通過仔細選擇靶標，在CRISPR/Cas9介導的水稻基因編輯中脫靶突變是很罕見的。