基因編輯技術實現了從隨機誘變到精準設計的質的飛躍. 在水稻、小麥等主糧作物中創(chuàng)制出高產優(yōu)質抗逆新種質, 在棉花等經濟作物中推動分子設計育種取得重大突破, 更在木本和藥用植物中為次生代謝調控和抗性改良開辟全新路徑. 這一技術不僅大幅縮短育種周期、降低研發(fā)成本,更為農業(yè)可持續(xù)發(fā)展注入強勁動力. 隨著全球監(jiān)管體系的逐步完善, 基因編輯作物產業(yè)化進程持續(xù)加速, 為應對糧食安全、氣候變化等全球性挑戰(zhàn)提供了創(chuàng)新解決方案. 展望未來, 基因編輯技術將與多學科深度交叉融合, 推動現代農業(yè)育種向智能化、精準化的更高階段邁進.詳見本期專輯.

植物基因組編輯專輯

編者按

王克劍

評述

植物CRISPR-Cas基因組堿基精準替換技術發(fā)展現狀及其應用

仲昭輝, 欽鵬

歷經二十余年的發(fā)展, 基因組編輯技術已經從簡單的基因敲除走向了復雜的堿基編輯. 本文綜述了植物中基于CRISPR-Cas9系統(tǒng)開發(fā)的多樣化堿基替換工具及應用, 并對后續(xù)植物堿基替換研究進行了展望和建議, 以期為作物品種快速改良提供有益參考

植物基因組精準編輯技術——引導編輯

周蘇淮, 李芳, 李娟, 吳瀟雅, 吳丹丹, 許蓉芳, 魏鵬程

CRISPR/Cas基因編輯技術自開發(fā)以來受到了廣泛關注, 而引導編輯是在其基礎上發(fā)展而來能夠高效實現基因組片段精準替換、刪除和插入的一項技術. 本文主要圍繞植物引導編輯技術的建立與發(fā)展、優(yōu)化與升級以及應用與發(fā)展趨勢等展開綜述, 旨在概括當前植物引導編輯技術的最新進展, 幫助科研工作者更好掌握和使用引導編輯工具.

植物引導編輯技術的研究進展

彭春燕, 柏夢焱, 關躍峰

基于CRISPR/Cas的引導編輯技術(prime editing, PE)是一種新型的基因編輯技術, 可實現更精準的基因編輯, 為植物基因功能研究及遺傳改良提供了強大的技術支撐. 本文綜述了引導編輯技術的工作原理、植物中引導編輯技術的開發(fā)歷程、動植物中的優(yōu)化進展, 并展望了引導編輯技術在作物遺傳改良中的應用前景.

被子植物細胞器基因編輯技術的開發(fā)與應用

朱儀方, 臺莉, 張劍鋒, 戴華鑫, 潘榮輝

本文主要介紹了植物細胞器(線粒體和質體)基因編輯技術的最新進展. 重點介紹了TALEN介導的基因敲除, 以及基于TALE的單堿基編輯工具(如DdCBE和TALEDs)在細胞器基因組編輯中的應用. TALEN技術已在細胞質雄性不育和作物育種等領域展示了廣泛應用前景.

基因編輯設計和分析輔助工具的研究進展

李福權, 張瑞祥, 趙哲, 陳樂天, 謝先榮

簡要介紹了基于CRISPR/Cas系統(tǒng)的基因編輯技術和編輯器的原理與類型, 重點綜述了用于基因編輯靶點設計的輔助工具、基于測序檢測基因編輯突變的方法和分析工具, 以及脫靶的原因和評估脫靶的方法和工具, 從而為利用這些工具提升基因編輯實驗效率和便捷性提供參考.

基因組編輯技術在水稻產量和品質改良中的應用及展望

譚文琛, 梁帥南, 顧雪琪, 裔傳燈, 梁國華, 張昌泉, 周勇

近年來出現的以CRISPR/Cas9系統(tǒng)為代表的基因組編輯技術極大地拓寬了生物育種的方式方法. 本文介紹了近年來通過編輯關鍵調控基因改良水稻產量和品質方面取得的進展, 以期為通過基因組編輯技術精準、高效地創(chuàng)制高產優(yōu)質水稻新材料提供一些新思路.

CRISPR/Cas基因編輯技術在水稻育種中的研究進展

李可, 吳傳銀, 隋毅

本文闡述了近年來CRISPR/Cas基因編輯技術在水稻產量、外觀、品質、抗生物和非生物脅迫性能等方面的新種質開發(fā)的研究進展; 重點介紹了它們在農業(yè)上的應用和突破, 包括從頭馴化、多性狀協(xié)同提升、雜交種子生產、無融合生殖以及雙單倍體育種技術; 最后簡要闡明了 CRISPR/Cas及其衍生工具的開發(fā)及其應用.

棉花基因編輯工具開發(fā)及分子育種進展與展望

楊光琴, 王冠英, 余露, 張獻龍, 聶新輝, 李建, 金雙俠

基因編輯技術能夠在DNA及RNA水平上實現高效、精準修飾調控, 是生命科學領域的一項革命性技術. 本文對棉花基因編輯工具開發(fā)及其在棉花分子育種中的應用進行了總結, 并對棉花基因編輯研究的未來發(fā)展方向進行展望.

CRISPR/Cas基因組編輯在木本植物性狀改良中的應用

袁雪寧, 姚鳳鴿, 安軼, 江成, 陳寧寧, 黃李超, 盧孟柱, 張進

本文介紹了CRISPR/Cas9、CRISPR/Cas12、CRISPR/Cas13、CRISPR/Cas14、堿基編輯器、引導編輯器幾種編輯器在基因編輯中的原理; 針對木本植物中單基因編輯、多基因編輯、啟動子編輯介導的基因編輯激活、堿基編輯器和基于dCas9的CRISPR激活技術在林木性狀改良中發(fā)揮的作用進行詳細的闡述; 討論了目前基因編輯技術在林木遺傳改良研究中存在的問題, 并展望了其他基因組編輯器的應用潛力.

CRISPR/Cas9技術在藥用植物中的應用與展望

朱瑞艷, 許瑩, 時敏, 開國銀

藥用植物次生代謝物具有重要的藥用價值, 但由于僅在特定組織中積累且含量較低限制了應用. CRISPR/Cas9基因編輯技術通過對目標基因實現定點替換、插入和缺失, 從而影響基因的表達和功能, 是探索藥用植物未知基因功能和解析代謝途徑的重要手段, 在提高次生代謝物產量和改良藥用植物品質方面具有至關重要的作用.

基因編輯技術在作物抗病中的應用

韓欣雨, 李淑敏, 謝卡斌, 李國田

增強作物廣譜抗病性, 是控制作物病害和保障糧食生產安全的重要策略. 本文重點討論了通過基因編輯技術在各種作物抗病中應用的多種策略, 如插入和替換、飽和突變、多重編輯、轉錄和翻譯水平調控及人工智能預測, 這極大促進了分子抗病育種的發(fā)展.

論文

通過引入逆轉錄酶Tf1結合高溫處理建立新型水稻引導編輯系統(tǒng)

侯兵兵, 陳俐克, 魯宏偉, 劉小雙, 王克劍, 王春, 魏鵬程, 鄒金鵬

植物引導編輯(prime editing, PE)系統(tǒng)可用高活力逆轉錄酶資源匱乏. 本研究將逆轉錄酶Tf1和高活力nCas9變體(K775R和K918A)結合, 構建新型植物ePE2-6ce系統(tǒng). 進一步研究發(fā)現, 適當的愈傷組織高溫處理可提升ePE2-6ce的編輯效率. 本研究為未來植物PE系統(tǒng)中逆轉錄酶的優(yōu)化與應用提供了基礎.

利用水稻轉化愈傷組織評估引導編輯效率

楊茜, 孟祥兵, 王春, 劉婷婷, 王克劍, 余泓, 饒玉春, 鄒金鵬

引導編輯(prime editing, PE)作為新一代精準基因組編輯技術, 在某些位點上編輯效率較低, 無法實現目標編輯.本研究使用水稻轉化愈傷組織作為模型, 研究PE技術在整個愈傷組織轉化過程中的編輯時間和效率, 由此建立了一個全面的PE效率評估系統(tǒng). 該系統(tǒng)為評估植株中PE效率提供了重要參考, 有助于推動PE技術在作物改良中的應用.

利用CRISPR/Cas9編輯SiOSD1基因創(chuàng)制多倍體谷子

梁雨晴, 申慧敏, 胡風越, 王春, 王克劍, 黃勇, 楊致榮

谷子(Setaria italica L.)因其較小的基因組、強大的環(huán)境適應能力以及豐富的營養(yǎng)價值, 正迅速成為C4禾谷類作物研究的理想模式植物. 本研究成功克隆了谷子SiOSD1基因, 并利用CRISPR/Cas9技術精確編輯SiOSD1基因創(chuàng)制了多倍體谷子, 這為谷子遺傳改良及無融合生殖體系建立開辟了新途徑.

張淑娟, 高潔, 楊路瑤, 張榮志, 李吉虎, 李玉蓮, 宋國琦, 李瑋, 李根英

籽粒硬度是決定小麥加工品質的重要性狀之一, 主要受pina和pinb基因控制. 利用CRISPR/Cas9基因編輯技術分別構建單基因及雙基因敲除載體, 利用農桿菌介導的小麥遺傳轉化分別獲得了pina、pinb基因的單突變體及雙突變體, 籽粒硬度明顯提高, 對小麥品質改良具有重要意義.

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