中国农业科学院率先成功实现水稻基因高效率单碱基定点替换

中国农业科学院作物科学研究所农作物转基因技术与应用创新团队与华中农业大学‘千人计划’引进人才、长江学者、美国加州大学圣地亚哥分校赵云德教授实验室合作，利用改造后CRISPR/Cas9系统，成功在水稻中实现靶标基因高效单碱基定点替换。相关研究成果于2016年12月9日在线发表在Cell子刊《Molecular Plant》（分子植物）杂志上。

对重要农作物基因组进行定点修饰，包括关键基因的定点敲除、替换以及外源基因的定点整合等，将有助于重要农艺性状的功能基因鉴定、复杂农艺性状的调控网络的解析和新种质创制，对推动农作物遗传改良进程具有重要意义。CRISPR/Cas9系统是继ZFNs和TALENs技术之后出现的基因组定点编辑新技术，因其试验设计简单、靶点在农作物基因组中分布频率高、可同时对同一基因的不同位点或多个基因的位点进行定向编辑等优势，已成为应用前景最广泛的基因组编辑技术。目前，利用CRISPR/Cas9介导的基因组编辑技术进行基因敲除，已经在水稻等农作物中得到广泛应用。但是，由于植物中同源重组频率特别低，利用CRISPR/Cas9介导的同源重组，在农作物中实现基因定点替换或定点整合却少有报道。

该研究团队通过利用胞嘧啶脱氨酶、Cas9（D10A）和尿嘧啶糖基化酶抑制剂 (UGI)的融合基因（BE3），构建植物表达载体，以水稻OsPDS和OsSBEIIb为靶标基因进行单个碱基定点替换研究。结果表明，在所选的3个靶点中，均获得预期定点突变植株，即在靶点序列的4-8位置有C突变成T（或G突变成A），效率最高可达20%左右。该系统在植物中的首次成功利用，表明其可作为一种可行、有效的单个碱基定点替换方法用于农作物遗传改良。这是继该团队在Molecular Plant(2016, 9: 628–631)报道利用CRISPR/Cas9介导的基因组定点重组体系，将ALS基因两个氨基酸位点定点替换，获得大量抗磺酰脲类除草剂水稻后，发表的又一重要研究进展。重要农作物CRISPR/Cas9介导的基因组定点修饰体系的建立，可望大大加快农作物育种进程，具有重要理论价值和应用前景。

作科所硕士研究生李晶莹和博士研究生孙永伟为本文共同第一作者，夏兰琴研究员和赵云德教授为本文的共同通讯作者。本研究得到重点研发计划、转基因专项项目和中国农科院创新工程项目资助。