Nature子刊：中科院利用CRISPR及TALEN技术获基因组编辑新突破

来自中科院遗传与发育生物学研究所、中科院微生物研究所的研究人员利用TALEN和CRISPR-Cas9技术，在六倍体面包小麦中成功实现了同时编辑3个同源等位基因（homoeoallele） ，并由此赋予了小麦对白粉菌（powdery mildew）的遗传性抵抗力。这一突破性的成果发表在7月20日的Nature Biotechnology杂志上。

　　

生物通报道  来自中科院遗传与发育生物学研究所、中科院微生物研究所的研究人员利用TALEN和CRISPR-Cas9技术，在六倍体面包小麦中成功实现了同时编辑3个同源等位基因（homoeoallele） ，并由此赋予了小麦对白粉菌（powdery mildew）的遗传性抵抗力。这一突破性的成果发表在7月20日的《自然生物技术》（Nature Biotechnology）杂志上。

中科院遗传与发育生物学研究所的高彩霞（Caixia Gao）研究员与中科院微生物研究所的邱金龙(Jin-Long Qiu)研究员是这篇论文的共同通讯作者。

小麦白粉病是由小麦白粉菌引起的一种气传病害，是威胁我国小麦生产的重要常见病害之一。通常以闭囊壳越大，以菌丝体在冬麦苗上越冬。近年来，由于品种、栽培制度、肥水、气候条件的影响，白粉病大量发生，导致小麦叶片早枯、成穗率减少、千粒重下降，严重影响了小麦的品质与产量。培育抗病品种是防治小麦白粉病的一项既安全又经济有效的措施，而抗病育种的基因是多样化的抗源。深入地挖掘抗病基因以及研究它们的抗性表现及遗传特点，将有助于对这些抗源进行有效利用。

最近几年位点特异性核酸酶的出现和应用，大大提高了同源重组的效率，使基因组编辑变得更加高效，从而使得对包括植物在内的任何物种进行基因组精确编辑成为可能。锌指核酸酶（ZFNs）、转录激活因子样效应物核酸酶（TALENs）和CRISPR/Cas是基因组编辑的三大核心技术（延伸阅读：基因组编辑三大技术：CRISPR、TALEN和ZFN[创新技巧]）。

TALEN是二聚的转录因子/核酸酶，由33至35个氨基酸模块构成，其中每个靶定单个核苷酸。通过组装这些模块，研究人员可靶定他们想要的任何序列。CRISPR／Cas系统广泛存在于细菌及古生菌中，是机体长期进化形成的RNA指导的降解入侵病毒或噬菌体DNA的适应性免疫系统。针对II型CRISPR／Cas系统进行改造，使其成为了继ZFNs和TALENs以来的高效定点修饰新技术。相比于ZFNs和TALENs，CRISPR／Cas系统更简单，并且更容易操作。

在这篇文章中，研究人员利用TALEN和CRISPR)/Cas9技术，在六倍体面包小麦的三个编码MLO蛋白的同源等位基因中成功地导入了靶向突变。由于遗传冗余以往科学家们无法评估三个MLO等位基因发生突变是否有可能赋予了面包小麦对白粉菌的抵抗力。在这里，研究人员证实TALEN诱导的所有3个TaMLO同源基因突变赋予了对白粉菌可遗传的广谱抵抗力。随后，他们又利用CRISPR-Cas9技术生成了携带TaMLO-A1等位基因突变的转基因小麦。研究人员还证实了，在面包小麦中通过TALENs引导DNA断裂双链非同源末端连接来操控靶向性DNA插入的可行性。这项新研究为未来改良多倍体作物提供了理论基础和方法框架。

（生物通：何嫱）

作者简介：

高彩霞

女，研究员，博士生导师

1991年获甘肃农业大学学士。1994年获甘肃农业大学硕士。1997年获中国农业大学博士。1997-1998年丹麦DLF-Trifolium公司科研部博士后。1998-2009年丹麦DLF-Trifolium公司科研部Research Scientist，课题组长。2009年9月回国，在遗传发育所植物细胞与染色体工程国家重点实验室任研究员，课题组长，2010年入选中国科学院“杰出技术人才”。

主要研究领域：农作物基因组定向编辑技术体系的研究与应用、农作物遗传转化技术体系的建立与应用，以及小麦重要功能基因的分子生物学研究。

邱金龙

博士 研究员，中国科学院“****”入选者

1991年毕业于山东大学生物系，获学士学位。1994年于华东师范大学生物系获硕士学位。1997年 华东师范大学生物系/中科院上海植物生理所植物分子遗传学国家重点实验室联合培养博士。1998年至2009年在欧美多个著名研究机构从事研究工作。2009年中科院“****”引进人才进入中科院微生物所植物基因组学国家重点实验室工作。

研究内容：
1） 植物应对不同外界病原微生物刺激的蛋白磷酸化网络的解析。
2)单子叶作物水稻与病原菌互作的分子机理。

生物通推荐原文摘要：

Simultaneous editing of three homoeoalleles in hexaploid bread wheat confers heritable resistance to powdery mildew

Sequence-specific nucleases have been applied to engineer targeted modifications in polyploid genomes1, but simultaneous modification of multiple homoeoalleles has not been reported. Here we use transcription activator–like effector nuclease (TALEN)2, 3 and clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats (CRISPR)-Cas9 (refs. 4,5) technologies in hexaploid bread wheat to introduce targeted mutations in the three homoeoalleles that encode MILDEW-RESISTANCE LOCUS (MLO) proteins6. Genetic redundancy has prevented evaluation of whether mutation of all three MLO alleles in bread wheat might confer resistance to powdery mildew……