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马里兰大学揭示CRISPR技术在植物科学领域的应用和开发潜力

文章来源: BioWorld       发布时间:2019-07-17

2019年7月15日,马里兰大学Yiping Qi教授团队在 Nature 子刊 Nature Plants 杂志发表了题为:The emerging and uncultivated potential of CRISPR technology in plant science 的综述论文。该论文探讨了CRISPR在作物中的研究应用现状,以及在面对气候变化、病虫害时,科学家如何以非传统的方式增强传统育种技术,确保全球粮食和营养安全,并为不断增长的人口提供食物。


马里兰大学揭示CRISPR技术在植物科学领域的应用和开发潜力


自2013年CRISPR技术在植物基因组编辑中的首次应用以来,CRISPR技术在植物基础科学和作物改良方面取得了很大进展。为了实现植物基因工程,研究人员已经开发了许多分子工具和平台,包括靶向诱变、碱基编辑、HDR精确编辑和转录调控。


这篇综述描述了已经应用于植物或仍有待探索的CRISPR技术的最新发展,涵盖了现有的CRISPR核酸酶及其变体、多路复用的表达系统、精确编辑基因组的各种方法、表观基因组编辑和转录组调控。特别考虑了温度敏感性、无转基因编辑、多倍体基因组编辑和通过花浸液进行种系编辑等条件。也介绍了CRISPR与其他植物育种前沿技术相结合的最新突破。展望了一些基于CRISPR的植物基因组工程可能会引领的新领域。研究人员希望该综述能对植物CRISPR技术的现状和未来发展方向提供一个全面的指导。


马里兰大学揭示CRISPR技术在植物科学领域的应用和开发潜力


CRISPR通常作为精确育种的“分子剪刀”用于切割DNA,去除,替换或编辑某种性状。该综述强调了CRISPR在作物育种方面的最新成果,以及将这些工具与其他育种方法相结合实现过去可能不可能实现的目标,让人们看到CRISPR在基因编辑之外的未来。


“当人们想到CRISPR时,便会想到基因组编辑,但事实上,CRISPR是一个多功能的系统,可以让你靶向很多东西,招募或促进已经存在于DNA中的某些性质。你可以通过使用CRISPR作为一种结合工具来吸引激活因子或抑制因子来调节特定基因的激活或抑制,而不是作为切割工具”Yiping Qi教授说。


此外,该综述还讨论了能够帮助DNA序列可视化的招募蛋白质的前景,以及将基因组中所需的性状组合在一起的潜力。Yiping Qi教授说:“我把这叫做基因重组。这是为了将非常重要的性状的基因相互靠近,使它们在物理和基因上联系在一起,这样,在传统的杂交育种中,它们就总是粘在一起,因此就更容易选择你想要的所有性状的作物。”


“我希望这篇发表Nature Plants上的综述能让人们看到CRISPR可以提供很多东西,不仅限于目前的基因组编辑,而且还能超越编辑去看看整个领域的发展方向。”Yiping Qi教授说说。


这包括将CRISPR应用于动物和人类,并以前所未有的方式应用于农作物的过程。例如,CRISPR技术已经通过使用一个由数万个向导分子组成的文库,加强了对人类健康中的基因和特征的筛查。该系统可用于植物筛选有助于抗病虫害、恢复力和作物产量的性状。“这不仅有助于育种,还有助于更容易地对基因功能进行分类,”Yiping Qi教授说说,“大多数情况下,这些研究都是在人类细胞中进行的,而农作物的研究相对滞后。我认为这是未来植物科学可以利用这些应用的一个方面,我的实验室已经做了一些这样的工作。”


Yiping Qi教授所在的实验室今年发表了多篇原创研究论文,强调了CRISPR在人类和植物细胞中的一些应用差异。今年早些时候,Yiping Qi研究团队在 Molecular Plant 杂志上发表的一项研究成果,测试了多种CRISPR/Cas9变异的靶向范围和特异性,试图证明或反驳人类对这些工具在大米中的准确性和特异性的说法。“并不是所有关于CRISPR在人类和动物身上的功能的说法都将适用于植物,所以我们正在研究哪些方法有效,以及我们能做些什么来优化这些作物工具。”


最近发表在 BMC Biology 杂志上的另一篇论文研究了温度作为提高水稻、玉米和拟南芥CRISPR/Cas12a基因组编辑效率的一种方法,该方法需要高于环境温度才能提高编辑效率。人类细胞总是保持在较高的温度下,这可能是CRISPR工作的最佳温度,但对植物来说是相当热的,我们必须探索温度如何对CRISPR在其他物种中的应用中发挥作用。


马里兰大学揭示CRISPR技术在植物科学领域的应用和开发潜力


此外,Yiping Qi教授说还出版了第一本完全致力于用CRISPR系统编辑植物基因组的书,强调了在多种作物中使用CRISPR的前沿方法和协议。


这本书汇集了许多不同植物系统的具体应用,如水稻、玉米、大豆、西红柿、土豆、生菜、胡萝卜。任何新进入该领域的人都应该能够弄清楚如何在他们特定的实验室中使用CRISPR。


“如何养活未来的世界——这就是我每天来工作的动力,”Yiping Qi教授说,“到2050年,我们的地球将有100亿人口,我们如何才能在气候变化和土地减少的情况下持续改善农作物,以可持续地养活更多的人? 我真的认为这项技术应该在其中发挥重要作用。”


综上:该综述了总结了CRISPR技术的最新发展和突破,重点介绍了CRISPR技术在植物生物学方面的成果和潜在应用。CRISPR不仅将促进基础研究,而且还将加快植物育种和种质开发。在全球气候变化的背景下,以及在当前农业、环境和生态挑战面前,应用CRISPR来改善种质尤为重要。


马里兰大学揭示CRISPR技术在植物科学领域的应用和开发潜力


研究背景


在过去的几年里,CRISPR技术在基因操纵领域的应用已经彻底改变了生命科学。CRISPR最初在细菌和古细菌中被发现,是细菌和古细菌中的一种适应性免疫系统。在细胞DNA修复过程中,CRISPR可以引入多种DNA改变。逐渐丰富和扩展的CRISPR工具允许植物中的可编程基因组编辑,表观基因组编辑和转录组调控。然而,植物基因组编辑领域的挑战需要得到人们的充分认识和探索。


关于马里兰大学


马里兰大学帕克分校(University of Maryland, College Park,简称 UMD或UMCP),始建于1856年,坐落于美国马里兰州,是世界知名学府,Universitas 21成员,美国著名公立研究型大学。其在2018年美国新闻与世界报道世界最佳大学排名中位列第50 ;2018年世界大学学术排名中名列世界第51 ;2018年泰晤士高等教育世界大学排名中位列世界第69 。并在2018年US NEWS美国大学排名第61,公立院校第22 ;2017年福布斯Forbes全美公立院校排名中位列第13  。

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