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Nat Biotechnol:中科院遗传所高彩霞研究组发表作物基因组单碱基编辑方法研究论文

摘要 : 2017年2月27日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《NatureBiotechnology》杂志在线发表了中国科学院遗传与发育生物学研究所

2017年2月27日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Biotechnology》杂志在线发表了中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组题为“Precise base editing in rice, wheat and maize with a Cas9- cytidine deaminase fusion”的研究论文,高彩霞研究组的博士生宗媛和王延鹏为该论文的共同第一作者,高彩霞研究员为论文通讯作者。

单核苷酸点突变是作物许多重要农艺性状发生变异的遗传基础。单碱基的变异会导致氨基酸替换或蛋白质翻译终止,使基因功能发生改变,从而有可能产生优良的等位基因与优异性状。传统诱变及单碱基突变筛选技术(如TILLING)需要进行基因组规模的筛选,耗时、耗力且鉴定到的点突变数目和种类有限。基因组编辑技术,特别是基于CRISPR/Cas9系统的基因组编辑技术,可以在基因组靶向位点处产生DNA双链断裂(DSB),以人为提供的外源供体DNA为模板,通过同源重组(HR)介导的DNA修复途径来实现对目标基因的单碱基突变。然而,植物中同源重组效率目前非常低,很难以此实现高效的、稳定的单碱基突变。因此,植物育种和基因功能研究迫切需要新技术来提高基因组单碱基定点突变的效率,以实现基因功能与农艺性状的定向改良。

高彩霞研究组在前期工作基础上,借鉴哺乳动物单碱基编辑方法,利用Cas9变体(nCas9-D10A)融合大鼠胞嘧啶脱氨酶(rAPOBEC1)和尿嘧啶糖基化酶抑制剂(UGI),构成了高效的植物单碱基编辑系统nCas9-PBE,成功地在三大重要农作物(小麦、水稻和玉米)基因组中实现高效、精确的单碱基定点突变。通过在原生质体中对报告基因BFP以及三种作物中五个内源基因七个位点突变结果的详细分析, 发现nCas9-PBE可实现对靶位点DNA的C至T替换,C碱基脱氨化的窗口覆盖靶序列的7个核苷酸(距离PAM远端的第 3-9位);其中单个C的替换效率为0.39-7.07%,多个C的替换效率高达12.48%。通过遗传转化,利用该体系获得了靶标区域单碱基替换的小麦、水稻和玉米突变植株,突变效率最高可达43.48%。nCas9-PBE技术无需在基因组的靶位点产生DNA双链断裂(DSB),也无需供体DNA的参与,具有简单、广适、高效的特点。nCas9-PBE单碱基编辑系统成功建立和应用,为高效和大规模创制单碱基突变体提供了一个可靠方案,为作物遗传改良和新品种培育提供了重要技术支撑。

原文链接:

Precise base editing in rice, wheat and maize with a Cas9- cytidine deaminase fusion

原文摘要:

Targeted base editing in plants without the need for a foreign DNA donor or double-stranded DNA cleavage would accelerate genome modification and breeding in a wide array of crops. We used a CRISPR–Cas9 nickase-cytidine deaminase fusion to achieve targeted conversion of cytosine to thymine from position 3 to 9 within the protospacer in both protoplasts and regenerated rice, wheat and maize plants at frequencies of up to 43.48%.

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