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CRISPR技术在植物上的应用
发表日期: 2017-11-01 作者: Sarah Webb 文章来源:BioTechniques
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从人体胚胎的基因编辑到多种疾病的靶向治疗,CRISPR/Cas9技术正不断登上头条。不过,这种技术的影响不仅仅限于生物医学研究,植物学家也在用CRISPR来研究植物功能、对抗疾病和提高产量。在最新一期的《BioTechniques》上,Sarah Webb介绍了植物中的CRISPR

转基因植物其实已经出现了很多年,但一直存在争议。近年来,生物学家一直在开发改变基因组的其他方法,以便补充传统的植物育种策略。在CRISPR出现之前,他们通常采用TALEN方法。不过,CRISPR/Cas9很快就超越了其他基因编辑技术。

许多研究人员都有着相似的经历:几年前,他们同时启动TALENCRISPR项目,但CRISPR很快就搞定了。Donald Danforth植物科学中心的Becky Bart说,虽然这两种技术都能实现精确的编辑,但TALEN是复杂的蛋白质,每个突变需要新合成;CRISPR则不同,研究人员只需要开发新的向导RNA,因此既便宜又快捷。

培育美味水果

长期以来,科学家通过挖掘天然的植物突变体或以随机诱变作为工具,来了解作物的基因功能。冷泉港实验室的Zach Lippman侧重于了解开花过程,特别是番茄及相关的茄科植物。CRISPR的出现增强了他的工作。通过破坏基因的编码序列并产生无功能的蛋白质,这些功能研究可以快速探索特定基因对开花过程的影响。

有了CRISPR技术,研究人员也许还能以新的方式来驯化植物。Lippman指出,茄科的一些植物从未被驯化过,但结出十分美味的水果。这些水果可以在野外采到,但不适合在农场或花园种植,因为或许植物很大,但水果很小,或时间太长。现在,研究人员考虑修饰这些野生物种的某些基因,或改变基因表达的水平。(对于吃货而言,这真是一条好消息!)

抵御各种疾病

对于辛苦劳作的农民来说,植物病原体的出现往往会让几个月的劳动成果付之一炬。虽然植物的免疫系统能够清除这些效应分子,但特定植物基因中的序列保守,可成为病原体攻击的目标。这样的序列一旦确定,就被称为易感基因。

在此,CRISPR提供了一个方便的工具,可以确定这些基因,并产生抗病植物。英国Sainsbury实验室的Sophien Kamoun及其同事最近就用CRISPR消除了番茄的一部分易感基因。这种非转基因的植物快速发育,能够完全抵御常见的白粉病。

爱荷华州立大学的Bing Yang也是在植物中应用CRISPR的先锋,他的研究重点是水稻枯萎病。这种疾病在南亚和非洲肆虐,它与蔗糖转运蛋白SWEET基因的启动子结合,诱导易感性的产生。Yang利用CRISPR技术多次改变这些启动子,其效果相当于植物疫苗。佛罗里达大学的Nian Wang及其同事则成功改变了葡萄柚中的已知易感基因,以帮助植物抵御柑橘溃疡。

技术上的挑战

当然,在植物中应用CRISPR仍然存在一些技术上的难题。去除DNA片段相对容易,但在特定位置改变序列或引入基因则不大容易。植物本身也带来难题。植物的细胞壁可能是个障碍,让基因编辑机制难以到达植物细胞。据Kamoun介绍,对棉花来说,这就是个难题。

在某些情况下,研究人员会使用农杆菌、病毒或质粒来敲开植物的大门。不过,最近出现了一些新的选择。杜邦先锋的一项新技术用基因枪将核糖核蛋白复合物导入植物细胞。因此,他们几乎可以转化任何品种的玉米。他们也将Cas9直接导入细胞,促使编辑过的体细胞直接形成胚状结构。

监管上的问题

即使大有潜力,但CRISPR编辑过的植物要想进入农田,还存在法律和监管上的障碍。目前,关于CRISPR/Cas9的专利,加州大学伯克利分校和Broad研究所在不断打官司,导致相关的知识产权相当混乱。于是,一些公司还是专注于TALEN,而另一些公司则采用meganuclease核酸酶。

此外,全球的监管机构也尚未确定如何监管这些编辑过的植物。Kamoun认为,一个关键的问题是监管部门是关注最终产品还是关注生产过程。欧洲监管机构往往侧重于过程,而美国监管机构则倾向于关注最终产品。与转基因不同,基因编辑的过程不大容易检测到。

在过去很长一段时间内,植物学家都没有工具来应用他们所学到的知识。现在有了CRISPR技术,他们可以开展更多的研究来真正了解所有基因在植物中的作用,以及如何调整和改善它们。未来,也许有着无限的可能。(来源:生物通 薄荷)

 

PLANTS IN THE CRISPR

 

Abstract   Sarah Webb explores how researchers are using CRISPR/Cas9 to solve agricultural problems. From gene-edited human embryos to disease-free pigs for donor organs, applications of CRISPR/Cas9 technology are filling the headlines. But the impact of this gene-editing technique isn’t limited to biomedical research: Plant biologists are also using CRISPR to study molecular mechanisms underlying plant function, fight disease, and enhance plant productivity.

 

原文链接:https://www.biotechniques.com/multimedia/archive/00254/BTN_A_000114583_O_254966a.pdf

 


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