中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所農(nóng)作物轉(zhuǎn)基因技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)‘千人計(jì)劃’引進(jìn)人才、長(zhǎng)江學(xué)者、美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校趙云德教授實(shí)驗(yàn)室合作，利用改造后CRISPR/Cas9系統(tǒng)，成功在水稻中實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)基因高效單堿基定點(diǎn)替換。相關(guān)研究成果于2016年12月9日在線發(fā)表在Cell子刊《Molecular Plant》（分子植物）雜志上。
　　
　　對(duì)重要農(nóng)作物基因組進(jìn)行定點(diǎn)修飾，包括關(guān)鍵基因的定點(diǎn)敲除、替換以及外源基因的定點(diǎn)整合等，將有助于重要農(nóng)藝性狀的功能基因鑒定、復(fù)雜農(nóng)藝性狀的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的解析和新種質(zhì)創(chuàng)制，對(duì)推動(dòng)農(nóng)作物遺傳改良進(jìn)程具有重要意義。CRISPR/Cas9系統(tǒng)是繼ZFNs和TALENs技術(shù)之后出現(xiàn)的基因組定點(diǎn)編輯新技術(shù)，因其試驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靶點(diǎn)在農(nóng)作物基因組中分布頻率高、可同時(shí)對(duì)同一基因的不同位點(diǎn)或多個(gè)基因的位點(diǎn)進(jìn)行定向編輯等優(yōu)勢(shì)，已成為應(yīng)用前景最廣泛的基因組編輯技術(shù)。目前，利用CRISPR/Cas9介導(dǎo)的基因組編輯技術(shù)進(jìn)行基因敲除，已經(jīng)在水稻等農(nóng)作物中得到廣泛應(yīng)用。但是，由于植物中同源重組頻率特別低，利用CRISPR/Cas9介導(dǎo)的同源重組，在農(nóng)作物中實(shí)現(xiàn)基因定點(diǎn)替換或定點(diǎn)整合卻少有報(bào)道。

　　該研究團(tuán)隊(duì)通過利用胞嘧啶脫氨酶、Cas9（D10A）和尿嘧啶糖基化酶抑制劑 (UGI)的融合基因（BE3），構(gòu)建植物表達(dá)載體，以水稻OsPDS和OsSBEIIb為靶標(biāo)基因進(jìn)行單個(gè)堿基定點(diǎn)替換研究。結(jié)果表明，在所選的3個(gè)靶點(diǎn)中，均獲得預(yù)期定點(diǎn)突變植株，即在靶點(diǎn)序列的4-8位置有C突變成T（或G突變成A），效率最高可達(dá)20%左右。該系統(tǒng)在植物中的首次成功利用，表明其可作為一種可行、有效的單個(gè)堿基定點(diǎn)替換方法用于農(nóng)作物遺傳改良。這是繼該團(tuán)隊(duì)在Molecular Plant(2016, 9: 628–631)報(bào)道利用CRISPR/Cas9介導(dǎo)的基因組定點(diǎn)重組體系，將ALS基因兩個(gè)氨基酸位點(diǎn)定點(diǎn)替換，獲得大量抗磺酰脲類除草劑水稻后，發(fā)表的又一重要研究進(jìn)展。重要農(nóng)作物CRISPR/Cas9介導(dǎo)的基因組定點(diǎn)修飾體系的建立，可望大大加快農(nóng)作物育種進(jìn)程，具有重要理論價(jià)值和應(yīng)用前景。
　　
　　作科所碩士研究生李晶瑩和博士研究生孫永偉為本文共同第一作者，夏蘭琴研究員和趙云德教授為本文的共同通訊作者。本研究得到重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、轉(zhuǎn)基因?qū)ｍ?xiàng)項(xiàng)目和中國(guó)農(nóng)科院創(chuàng)新工程項(xiàng)目資助。