广东
近日，中国农业大学生物学院/植物抗逆高效全国重点实验室的王献兵课题组在《自然植物》Nature Plants上在线发表了题为《在小麦上实现不依赖转基因和组培的可遗传基因编辑的病毒递送体系》(Transgene- and tissue culture-free heritable genome editing using RNA virus-based delivery in wheat）的研究论文。创建了一套基于植物弹状病毒载体的CRISPR/Cas9递送系统(Virus induced genome editing in tillers, ViGET)，能够在多个小麦栽培品种中实现可遗传编辑，该体系不依赖转基因、无需组培，一代即可获得纯合突变体，为小麦的基因功能研究和编辑育种提供了高效的遗传工具。
近年来，CRISPR/Cas基因编辑技术加速了植物基因功能研究和作物遗传改良过程。然而，编辑元件递送技术在禾本科植物中仍面临诸多挑战，例如遗传转化和组培过程繁琐、基因型依赖性强等，限制了基因编辑技术的广泛应用。植物病毒载体在递送编辑元件方面展现出良好的潜力，但用于禾本科植物的不依赖转基因的病毒介导基因编辑体系尚未突破！
大麦黄条点花叶病毒 (barley yellow striate mosaic virus, BYSMV) 是一种植物细胞质弹状病毒, 能够侵染小麦、大麦、玉米、谷子、燕麦等多种禾本科植物。前期, 王献兵课题组已建立高效的BYSMV反向遗传学体系, 可在寄主植物中高效表达外源蛋白 (Gao, et al., 2019)。在此基础上，本研究将BYSMV表达载体改造为基因编辑递送工具，在禾本科植物上高效递送Cas9和sgRNAs实现基因编辑。进一步在病毒载体Cas9 mRNA和sgRNAs基因3′ 端融合可移动RNA元件TLS, 获得的BYSMV-Cas9T-sgRNAT重组病毒增加了体细胞编辑效率，但仍然无法进入主茎的分生组织进行可遗传编辑。有意思的是，BYSMV-Cas9T-sgRNAT能够在小麦分蘖中引起PDS敲除的白化表型，通过二代测序证明白化分蘖的不同叶子编辑类型基本相同，说明该重组病毒和TLS联合将编辑元件递送到分蘖腋生分生区中并诱导基因编辑。部分分蘖的子代植株均是纯合突变体，且未检测到病毒和编辑元件，避免了生物安全问题。上述工作是在栽培品种科兴3302中完成，利用BYSMV-ViGET系统进一步在百农4199、百农207、豫州473和周麦36等主栽品种上也实现了可遗传编辑，表明该系统的基因型依赖性低，适用范围广。此外，还对一些无明显发育表型的基因位点如病毒感病基因SDN1进行编辑，并筛选到纯合突变的分蘖和子代植株。综上所述，BYSMV-ViGET系统无需繁琐的转基因和组培过程，并快速获得六倍体小麦的纯合突变体，后续将继续尝试对病毒其它禾本科植物寄主进行基因编辑。
图1 BYSMV载体介导的小麦可遗传编辑
该研究在中国农业大学生物学院/植物抗逆高效全国重点实验室完成，博士生乔继辉和臧颖为论文共同第一作者，王献兵教授为通讯作者。博士研究生张馨文、胡巍耀以及草业学院高强青年研究员，玉米改良中心刘胜男博士，植保学院韩成贵教授、王颖副教授，生物学院李大伟教授合作参与了研究工作。工作还得到了植物病毒研究团队于嘉林教授、张永亮教授和杨萌副教授的指导。中国农业大学生物学院陈其军教授提供了质粒材料，河南农业大学王道文教授提供了小麦栽培品种, 加州大学河滨分校Shou-Wei Ding教授以及加州大学戴维斯分校Savithramma P. Dinesh-Kumar教授为论文写作提供了宝贵建议。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和拼多多教育基金的经费支持。
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