基因组定点编辑技术是研究基因功能和生物体改造的重要工具。CRISPR-Cas(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats and CRISPR-associated proteins)系统是近年来发展的一种新型基因组编辑技术,该技术通过一段向导RNA和配套的核酸酶就可对特定的基因组序列进行定点编辑,具有简单高效、应用广泛的特点,受到了生物学家的广泛关注。本文着重介绍CRISPR-Cas系统在植物中的研究进展,包括CRISPR-Cas9系统在植物中的应用与完善、扩大基因组编辑范围的研究、Cas9切口酶和失活酶的拓展、特异性单碱基突变编辑系统的研究、无外源DNA污染的植物基因编辑技术的发展以及基因组编辑技术在作物育种上的应用等方面。同时也提出了还需解决的问题,并展望了基因组编辑系统在作物育种中的应用前景,为开展这一领域的研究工作提供参考。
谷子(Setaria italica L.)作为一种区域性重要作物,因其较小的基因组、突出的抗旱和耐贫瘠特性、高效的C_(4)光合作用以及丰富的营养价值,正迅速成为C_(4)禾谷类作物研究的理想模式植物.多倍体作物展现了较其祖先更优的性状,如更大的果实、更高的产量和更强的抗逆性等,使得多倍体育种成为提高作物产量和抗逆性的有效策略.然而,尽管多倍体育种技术展现了巨大的应用潜力,但有关多倍体谷子的研究较少,且主要通过秋水仙碱诱导产生多倍体谷子.因此,开发新的、更安全高效的染色体倍增技术迫在眉睫.本研究成功克隆了谷子SiOSD1基因,并通过CRISPR/Cas9技术精确编辑该基因,创制了移码突变体siosd1-1D.该突变体自交后代完全转变为四倍体,表型鉴定显示四倍体后代的籽粒大小、气孔尺寸、旗叶长度和叶夹角均显著超过二倍体野生型,表现出典型的多倍体特征.转录组测序分析进一步揭示了基因表达在谷子倍性变化中的调控作用,证明了通过编辑减数分裂相关基因来创制具有更大器官的四倍体谷子是一种有效的策略.与传统化学诱导方法相比,基因编辑提供了一种更为安全高效的多倍体产生方法,为谷子遗传改良及无融合生殖体系的建立开辟了新途径.
