CRISPR助力植物的定向演化 | Genome Biology
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2018年的诺贝尔化学奖颁给了弗朗西丝·阿诺德（Frances H.Arnold），旨在奖励她在酶的定向演化研究中的先驱工作。该奖项的颁布同时也标注了定向演化在科学上的重要地位。定向演化在细菌和酵母这些模式生物中非常常见，人们也尝试在人类细胞、病毒或DNA载体系统中进行定向演化。与此同时，定向演化在植物研究领域也有着巨大的研究价值。首先是由于植物的超多能分化性（pluripotency）使这种策略的可行性大大提高；其次丰富的植物物种为人类提供大量的食物来源，使得定向演化存在潜在的经济学价值。
原文作者：Yiping Qi
编译：BMC
近日在Genome Biology 上发表的来自Magdy M. Mahfouz 研究组（ King Abdullah University）的概念验证型研究，为我们展示CRISPR基因编辑技术可以被用来助力水稻的定向演化。
植物定向演化示意图
水稻OsSF3B1是一个真核细胞物种保守基因，并在生物的RNA剪接中起到非常重要的作用。在人类疾病中，SF3B1是肿瘤治疗的一个靶标，在农作物中，RNA剪接抑制剂是一种有效的除草剂。Mahfouz研究组率先设计针对OsSF3B1基因的15,000个sgRNA，从而使用CRISPR-Cas9技术产生了相应数量水稻愈伤组织库。经过RNA剪接抑制剂GEX1A的培育筛选，21株拥有GEX1A抗性的修复体产生了。进一步的研究发现抗性的产生主要源于OsSF3B1基因1-10个氨基酸的丢失。机制研究显示，突变体很可能随着这几个氨基酸的丢失而与RNA抑制剂产生了不一样的相互作用。由于这些氨基酸所在功能域可能对抗性有着特殊意义，研究组又针对HEAT重复域设计了愈伤组织库，定向演化效率大大升高。
这一研究对于农作物育种有着不一样的意义，为农业产出以及食物安全问题提供了一种新颖且具备可行性的方案。农作物育种的方向通常是提高或改变其除草剂抗性、光合作用、生物性与非生物性压力抗性等，而CRISPR辅助的定向演化方法为这些育种方向提供了新的平台。虽然目前看来，定向演化常被用来筛选蛋白质，表达调控的顺式作用元件也可以作为下一步的定向演化靶标。此外，将相关技术向动物个体的定向演化领域拓展也会是非常有趣的议题。
若想进一步提升演化效率，有很多策略可以用来提高筛选尺度：例如选择不同PAM结构、不同Cas9蛋白或是使用基于Cas12a、Cas12b的CRISPR系统。真核生物体内定向演化的未来充满了各种可能，而有了基因编辑系统的助力，前景将更加广阔。
Genome Biology
doi:10.1186/s13059-019-1680-9
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