李 萌,姜恭好,段海燕
(黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150080)
基因編輯,又稱基因組編輯或基因組工程,是一種新興的比較精確的能對(duì)生物體基因組特定目標(biāo)基因進(jìn)行修飾的基因工程技術(shù)或過程。基因編輯技術(shù)通過插入和敲除基因、定點(diǎn)突變和堿基替換等對(duì)基因組靶位點(diǎn)進(jìn)行一系列的人工修飾,以獲得新的功能或表型,甚至創(chuàng)造新的物種,在基因研究、基因治療和遺傳改良等方面展示出了巨大的潛力,尤其是在植物遺傳改良和新品種培育方面應(yīng)用十分廣泛。
近年將基于CRISPR/Cas9 系統(tǒng)的基因組定點(diǎn)編輯技術(shù)不斷應(yīng)用于水稻,用來深入研究水稻基因功能和精準(zhǔn)培育水稻品種,而傳統(tǒng)基因組編輯技術(shù)只可對(duì)水稻基因片段隨機(jī)刪除或插入,精準(zhǔn)插入效率不高。Yuming Lu 等用硫代修飾和磷酸化修飾供體片段,成功提升敲入靶向的效率,對(duì)約1 400 株植株進(jìn)行編輯,成功效率平均值為25%,高者可達(dá)47%;此方法還能夠在4 個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行靶向敲入,改進(jìn)該方法得到重復(fù)片段介導(dǎo)的同源重組方法,能夠精準(zhǔn)有效融合原位標(biāo)簽蛋白并實(shí)現(xiàn)片段的替換,該效率約為11%[1]。覃玉芬等通過CRISPR/Cas9 技術(shù)系統(tǒng)編輯水稻品種GXU41 中TMS5的兩個(gè)靶點(diǎn)位,獲得純合突變的T0代陽性植株,并在T1代獲得到無外源標(biāo)記的植株[2]。由此證明該技術(shù)能夠提升獲得TGMS 系的效率。Yusong Lv 等同樣利用該技術(shù)基因編輯定點(diǎn)突變OsPAO5,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其啟動(dòng)子區(qū)域存在天然SNP 能夠介導(dǎo)水稻中胚軸性狀的馴化,在提升水稻出苗速率的同時(shí),為后續(xù)耐直播水稻品種分子育種研究提供重要數(shù)據(jù)支撐[3]。
季新等根據(jù)CRISPR 這項(xiàng)技術(shù)的基本原理,對(duì)水稻光敏色素互作因子OSPIL15的CRISPR 表達(dá)載體進(jìn)行構(gòu)建,創(chuàng)制OS0ZI5突變體并研究其對(duì)光信號(hào)調(diào)控的作用,將所獲得的10 種OS0ZI5 突變體與野生型進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)突變型的粒長(zhǎng)明顯變長(zhǎng),株高明顯變矮,實(shí)驗(yàn)表明該技術(shù)能夠證明光信號(hào)對(duì)其突變體生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控作用[4]。楊柳等通過該技術(shù)及反向遺傳學(xué)方法,針對(duì)OsMADS56基因設(shè)計(jì)特異性敲除靶位點(diǎn),并構(gòu)建該基因敲除載體,運(yùn)用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法獲得野生粳稻9522 背景的轉(zhuǎn)基因苗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明9 株OsMADS56轉(zhuǎn)基因苗具有3 種純合突變類型,對(duì)蛋白序列進(jìn)行比對(duì)和分析,發(fā)現(xiàn)3 種類型突變都能夠造成移碼突變和蛋白翻譯提前終止,引起保守結(jié)構(gòu)域的缺失。因此判斷水稻OsMADS56與擬南芥SOC1功能保守,能夠調(diào)控水稻的花發(fā)育及開花時(shí)間[5]。賈辰昊等設(shè)計(jì)1對(duì)sgRNA序列并運(yùn)用自然降溫以獲得雙鏈sgRNA,并運(yùn)用T4連接酶的作用與載體pHSN401相連,進(jìn)行菌落PCR 測(cè)序后,將成功構(gòu)建的CRISPR基因編輯載體轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌,獲得水稻OsSAUR23基因的基因編輯突變體材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明CRISPR/Cas9 技術(shù)作用下的OsSAUR23基因在生長(zhǎng)素響應(yīng)信號(hào)通路中扮演重要角色[6]。楊平等運(yùn)用CRISPR/Cas9 技術(shù)對(duì)水稻W(wǎng)x、Badh2基因進(jìn)行編輯,從而獲得能夠穩(wěn)定遺傳且直鏈淀粉含量較低的突變體,使此類稻米更受青睞,同時(shí)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也為后續(xù)進(jìn)一步開展稻米品質(zhì)研究提供參考依據(jù)[7]。
陳強(qiáng)等首先將水稻的多胚基因OsPE運(yùn)用基因編輯技術(shù)進(jìn)行載體構(gòu)建,將模板OsU6a 進(jìn)行兩次PCR,成功構(gòu)建表達(dá)盒,通過T4連接酶將表達(dá)盒連接至載體中,通過PCR反應(yīng)、酶切和測(cè)序后,得到pYLCRISPR/Cas9-gRNA 的多胚基因載體,為深入研究多胚基因提供參考[8]。
王荃等研究發(fā)現(xiàn)DUFs 蛋白對(duì)生物成長(zhǎng)有很大作用,運(yùn)用基因編輯技術(shù)構(gòu)建OsDUF393的載體,并通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)的方法將待轉(zhuǎn)化品種中花11 進(jìn)行轉(zhuǎn)化,獲得T0代水稻植株100 株,對(duì)其進(jìn)行測(cè)序后發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在堿基的變化,實(shí)驗(yàn)創(chuàng)制了基因突變體,并表明通過基因編輯技術(shù)確實(shí)使得OsDUF393基因得到了定向編輯效果[9]。同樣運(yùn)用該技術(shù),惠索禎等將粳稻品種沈農(nóng)265作為赤霉素2氧化酶基因OsGA2oxlO進(jìn)行基因編輯的遺傳背景,將獲得的突變體進(jìn)行PCR 后發(fā)現(xiàn)突變體基因的表達(dá)量相對(duì)于野生型表現(xiàn)出很明顯的下降趨勢(shì)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)基因在水稻幼穗部的表達(dá)程度相較于在葉鞘、根部、莖葉的表達(dá)程度不同。實(shí)驗(yàn)明確了該基因的功能,表明基因編輯技術(shù)確實(shí)能夠調(diào)控GA2oxl0基因功能[10]。
為研究生長(zhǎng)素對(duì)水稻生長(zhǎng)的參與過程,王道洋等運(yùn)用基因編輯技術(shù)對(duì)OsARF8靶點(diǎn)位進(jìn)行設(shè)計(jì)并對(duì)其進(jìn)行敲除。首先構(gòu)建載體,然后運(yùn)用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法對(duì)水稻品種9522 進(jìn)行轉(zhuǎn)入,隨后篩選得到28 株轉(zhuǎn)基因植株,進(jìn)一步對(duì)OsARF8鑒定得到6 株在外顯子174的區(qū)域內(nèi)發(fā)生了堿基的缺失,而對(duì)堿基突變深入探究得到第7 個(gè)氨基酸發(fā)生變化,進(jìn)而使得亮氨酸變化成為色氨酸,由該處及以后的氨基酸序列均發(fā)生移碼的突變,發(fā)現(xiàn)在第123 的氨基酸發(fā)生提前終止,由此證明此突變體中的DBD 功能域無法全部表達(dá),ARF8 蛋白的功能也同時(shí)受到影響[11]。本實(shí)驗(yàn)證明運(yùn)用基因標(biāo)記技術(shù)能夠?qū)⑺净騉sARF8敲除,為后續(xù)研究提供范本。陶英瑜等研究發(fā)現(xiàn)水稻種子的發(fā)芽率對(duì)直播影響較大,ABI5 的含量下降會(huì)使種子萌發(fā)速度和效率更高。通過基因編輯技術(shù)對(duì)OsABI5突變體進(jìn)行構(gòu)建,運(yùn)用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將所構(gòu)建的OsABI5敲除質(zhì)粒導(dǎo)入愈傷組織,得到osabi5-2突變體,觀察后得出運(yùn)用基因編輯技術(shù)確實(shí)能夠?qū)λ痉N子萌發(fā)加以調(diào)控[12]。
楊海河等使用CRISPR/Cas9 技術(shù)為患稻瘟病水稻的Pi21基因進(jìn)行針對(duì)性地定點(diǎn)突變,從而能夠得到抗稻瘟病的植株,在T0代即達(dá)到約87%的基因存在靶序列堿基的缺失。患病株系與抗病的株系在同樣接種病菌情況下,表現(xiàn)出突變植株的抗性更強(qiáng)[13]。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果成功獲得抗病植株,為開展稻瘟病研究提供數(shù)據(jù)支持。
現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)獲得具有廣譜抗病性的時(shí)間較長(zhǎng),而運(yùn)用CRISPR 技術(shù)能使水稻對(duì)抗白葉枯病的廣譜性得到提升。運(yùn)用CRISPR 技術(shù)長(zhǎng)時(shí)期監(jiān)管水稻的白葉枯病獲得許多專家教授的肯定。在T2代中突變型的水稻品質(zhì)表現(xiàn)出蠟質(zhì)狀,并且直鏈淀粉含量呈大幅度降低,約降低為2%左右。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了白葉枯病的廣譜抗病性,也體現(xiàn)出運(yùn)用CRISPR 技術(shù)確實(shí)能夠在對(duì)Wx基因進(jìn)行編輯后達(dá)到糯性品質(zhì)的改良效果。
隨著生活質(zhì)量的提高,人們對(duì)水稻口感等品質(zhì)方面的需求標(biāo)準(zhǔn)逐漸提升,香糯口感和長(zhǎng)粒更符合市場(chǎng)需求。直鏈淀粉含量是一種研究判斷水稻稻米品質(zhì)的理化指標(biāo),而新的基因編輯技術(shù)使得快速高質(zhì)量達(dá)到該目標(biāo)成為可能,能夠?qū)⒍喾N品質(zhì)性狀同時(shí)加以改良,將控制水稻口感粒長(zhǎng)的直鏈淀粉含量調(diào)控到適合的程度。
周鑫等運(yùn)用CRISPR 技術(shù)對(duì)Wx基因進(jìn)行分析以獲得優(yōu)質(zhì)糯稻,將靶點(diǎn)位分別設(shè)置在該基因的7、8、11、12、2 和10 外顯子的區(qū)域內(nèi),用基因編輯技術(shù)對(duì)表達(dá)載體進(jìn)行構(gòu)建,并運(yùn)用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將設(shè)計(jì)好的載體導(dǎo)入至準(zhǔn)備好的水稻品種中,獲得多株再生基因的植株。進(jìn)一步分析表明,突變率整體走低,多數(shù)為小于30%,都位于2、11、7外顯子區(qū)域內(nèi)部,多數(shù)小于2 bp 的缺失或者插入,并且大多是純合基因型或者是雙等位的突變[14]。該研究發(fā)現(xiàn)在糯稻的新品種培育時(shí),應(yīng)多培育突變體并篩選合適的靶點(diǎn)位,以期達(dá)到糯性水稻標(biāo)準(zhǔn)。
東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所實(shí)驗(yàn)證明,對(duì)Wx基因的不同靶點(diǎn)位分別設(shè)計(jì)PBE-TS2、1、3 載體,將其導(dǎo)入至目標(biāo)水稻品種,突變型表現(xiàn)出其直鏈淀粉含量均有小幅度降低,TS2 尤為明顯,下降幅度約為4%,且水稻收獲后保持為透明狀態(tài)[15]。同樣的方法,對(duì)黑龍江省內(nèi)水稻種植比例最大的品種進(jìn)行基因編輯后發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉含量的下降幅度與前面實(shí)驗(yàn)保持一致。
Yongjie Kuang 等培育出能夠抑制雜草生長(zhǎng)的水稻品種[16]。王海明等利用水稻基因NRR是調(diào)控根系生長(zhǎng)的多效基因,同樣運(yùn)用CRISPR技術(shù)進(jìn)行基因敲除,發(fā)現(xiàn)被敲除后的植株根系鮮重比野生型的植株更重[17]。
基因編輯技術(shù)通過插入和敲除基因、定點(diǎn)突變和堿基替換等對(duì)基因組靶位點(diǎn)進(jìn)行一系列的人工修飾,包括了先后發(fā)展的三代技術(shù),分別為一代的ZFNs 基因編輯技術(shù)、二代的TALENs 基因編輯技術(shù)和三代的CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)。三者原理和方式存在差異,但同樣需要人工進(jìn)行改造的序列特異性核酸內(nèi)切酶的支持,在相應(yīng)的目標(biāo)基因組位置進(jìn)行DNA 切割并引發(fā)雙鏈的斷裂。
ZFNs是基因編輯歷史上的第一代技術(shù)[18],是多種蛋白質(zhì)中普遍存在的蛋白基序,通過介導(dǎo)蛋白質(zhì)、核酸、小分子及其他蛋白質(zhì)發(fā)揮特異相互作用。運(yùn)用ZFNs技術(shù)能夠進(jìn)行基因敲除或者將目標(biāo)基因?qū)?,阻斷基因的激活,使基因序列得到改造。同時(shí)ZFNs 存在一些不足之處,如ZFNs 在每次對(duì)DNA 片段進(jìn)行剪切時(shí)無法充分依靠同源二聚體的形成,存在異源二聚體,極可能會(huì)造成脫靶效應(yīng),使得DNA 序列發(fā)生改變或者出現(xiàn)錯(cuò)配的情況,甚至產(chǎn)生較強(qiáng)細(xì)胞毒性和導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。引外,ZFNs 對(duì)DNA 的特異性識(shí)別度較低,篩選出能夠成功構(gòu)建特異性且切割速度較高的ZFNs基因編輯技術(shù)無疑需要投入大量成本。
TALENs 是基因編輯歷史上的第二代技術(shù),由TAL 效應(yīng)因子的DBD 及FokI 核酸內(nèi)切酶的DNA 切割出來的結(jié)構(gòu)域兩部分構(gòu)成。其中TALEN 又由3 部分構(gòu)成,分別為核定位信號(hào)的N 端結(jié)構(gòu)域、能夠較為準(zhǔn)確識(shí)別特定DNA 序列的串聯(lián)TALE 重復(fù)序列的中央結(jié)構(gòu)域及具有Fokl 核酸內(nèi)切酶功能的C 端結(jié)構(gòu)域。該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是TALENs 的TAL 效應(yīng)物為串聯(lián)重復(fù)的識(shí)別堿基單元,較低的脫靶概率和較高的特異性、較為簡(jiǎn)單的載體構(gòu)建方式和較低的成本,使得該技術(shù)更受青睞。
2.2.1 技術(shù)原理
CRISPR/Cas 是一種適應(yīng)性的免疫系統(tǒng)。追溯發(fā)現(xiàn)其存在于古細(xì)菌和原核生物細(xì)菌中,通過自身進(jìn)化來抵抗入侵DNA 和病毒。該系統(tǒng)能夠?qū)ν庠碊NA 進(jìn)行識(shí)別、特異性切割,同時(shí)能夠沉默外源基因表達(dá)。該系統(tǒng)由CRISPR 序列元件及Cas基因家族蛋白兩部分構(gòu)成。構(gòu)成CRISPR 序列元件的是高度保守的重復(fù)序列、位于重復(fù)上游的引導(dǎo)序列及間隔序列相間排列。位于相同位點(diǎn)的重復(fù)序列高度保守,而具有較高多樣性的是位于不同位點(diǎn)間的重復(fù)序列。CRISPR 位點(diǎn)附近存在著具有內(nèi)切酶活性和核酸酶的Cas基因家族蛋白酶,使得DNA系列特異性得以修復(fù)。
通過轉(zhuǎn)錄加工成的crRNA 和反式激活tracrRNA 共同形成雙元復(fù)合體結(jié)構(gòu)sgRNA,進(jìn)而由sgRNA 引導(dǎo)Cas9 蛋白酶的HNH,與crRNA 堿基互補(bǔ)配對(duì)的模板鏈可以被特異性地識(shí)別并實(shí)現(xiàn)切割;RuvC作用于切割第二條鏈特定位點(diǎn),并通過體內(nèi)NHEJ 修復(fù)機(jī)制使得基因突變得以引入。對(duì)此我們可以進(jìn)行不同sgRNA 的設(shè)計(jì),從而運(yùn)用CRISPR/Cas9 對(duì)不同的DNA 堿基序列進(jìn)行剪切獲得新的突變體。
2.2.2 優(yōu)缺點(diǎn)
CRISPR/Cas9 第三代基因編輯技術(shù)是新興的定點(diǎn)基因編輯工具。CRISPR/Cas9 技術(shù)通過對(duì)內(nèi)源基因進(jìn)行編輯從而完成作物的遺傳基因改良,利用短RNA 和核酸酶對(duì)特定靶標(biāo)基因進(jìn)行突變,并對(duì)無外源基因整合的編輯材料進(jìn)行篩選,在保證不會(huì)影響基因組的其他位點(diǎn)前提下,實(shí)現(xiàn)DNA 修復(fù)系統(tǒng)對(duì)特定位點(diǎn)進(jìn)行精確突變。CRISPR 技術(shù)因使用簡(jiǎn)便且效率更高的優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于水稻和高粱等糧食作物的基因組編輯工作中,同時(shí)運(yùn)用在對(duì)人類及動(dòng)物細(xì)胞等多種生物進(jìn)行定點(diǎn)修飾中,并且該技術(shù)能夠避免傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因所導(dǎo)致的安全問題。但CRISPR/Cas9 技術(shù)存在小概率的脫靶現(xiàn)象,從而引起基因組非靶向位點(diǎn)的突變影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如何實(shí)現(xiàn)運(yùn)用HDR修復(fù)途徑提高對(duì)基因編輯的效率、實(shí)現(xiàn)大片段插入和堿基替換仍需進(jìn)一步研究。
2.2.3 主要類型
目前已發(fā)現(xiàn)三種類型的10個(gè)亞種系統(tǒng)。Ⅰ型存在于古生菌的大腸桿菌等細(xì)菌和銅綠假單胞菌中,包含Cas2、Cas3、Cas5、Cas6、Cas7 等亞型。Ⅱ型僅存于嗜熱鏈球菌等細(xì)菌基因組,包含Casl、Cas2、Cas9 等亞型。Ⅲ型存在于激烈火球菌等古生菌,包含Casl、Cas2、Cas6 等亞型。Ⅰ型和Ⅱ型的靶標(biāo)類型均為DNA,Ⅲ型的靶標(biāo)類型為DNA或RNA。
2.2.4 相關(guān)技術(shù)
發(fā)展基因編輯技術(shù),也需同時(shí)發(fā)展相應(yīng)的檢測(cè)方式。焦磷酸測(cè)序是ATP 硫酸化酶、DNA 聚合酶、三磷酸腺苷雙磷酸酶及熒光素酶等4 種酶參與化學(xué)反應(yīng)的酶聯(lián)級(jí)聯(lián)測(cè)序技術(shù),免除需要通過熒光標(biāo)記的引物和電泳檢測(cè)的方法對(duì)已知的短序列采取測(cè)序分析的環(huán)節(jié),該技術(shù)具有快速準(zhǔn)確分析和實(shí)時(shí)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn),能夠鑒別很多植物成分及其病原微生物,逐漸成為單核苷酸多態(tài)性進(jìn)行基因分型和突變檢測(cè)的方式之一。解美霞等在檢測(cè)水稻PL3基因的靶向突變時(shí)采用CRISPR/Cas9 技術(shù)進(jìn)行誘導(dǎo),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該技術(shù)能夠根據(jù)所檢測(cè)編輯的位點(diǎn)對(duì)編輯后的水稻及未被編輯的野生型水稻加以準(zhǔn)確區(qū)分,與以往技術(shù)相比具有更高的效率和準(zhǔn)確性,對(duì)水稻位點(diǎn)定性具有較廣闊的前景[19]。
基因編輯技術(shù)的持續(xù)快速發(fā)展為進(jìn)一步開展植物基因功能研究及作物的遺傳改良奠定基礎(chǔ)。已發(fā)展技術(shù)如PCR 法、電泳法和測(cè)序法具有操作較復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)和成本較高等系列問題,而PARMS 技術(shù)則是通過熒光檢測(cè)的方式進(jìn)行SNP 的基因分型,具有前面幾種方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)?;贏RMS 技術(shù)開發(fā)的SNP基因分型技術(shù)PARMS,采用1 對(duì)通用熒光引物、1 對(duì)等位基因特異引物和1 條反向共用引物共5 種引物對(duì)SNP 和短Indel位點(diǎn)進(jìn)行等位基因的特異性擴(kuò)增,并采用熒光掃描進(jìn)行基因分型。律文堂等同樣利用該技術(shù)對(duì)水稻進(jìn)行基因編輯,從而能夠?qū)χ仓赀M(jìn)行基因分型,所得到的鑒定結(jié)果能夠與電泳法、測(cè)序法結(jié)果吻合,充分證明了該技術(shù)能夠?qū)λ具M(jìn)行植株編輯及對(duì)其后代進(jìn)行基因分型,同時(shí)為其他作物進(jìn)行后代編輯提供良好范本[20]。
CRISPR/Cas9 技術(shù)為基因組定向修飾帶來新突破,但該技術(shù)研究時(shí)間尚短,仍需深入探索。應(yīng)引導(dǎo)我國(guó)從事水稻育種研發(fā)的種業(yè)公司和科研院所共同合作,引導(dǎo)CRISPR 技術(shù)與常規(guī)育種方法結(jié)合,通過設(shè)計(jì)多gRNA 靶向到單一基因,特異性的獲得多遺傳性狀的各種組合。目前該技術(shù)在水稻育種的應(yīng)用依賴于HNEJ 途徑基因敲除,但如何更好運(yùn)用HDR 實(shí)現(xiàn)大片段的插入和堿基替換依然有很大的可能性;并且該技術(shù)會(huì)有一定概率出現(xiàn)脫靶情況,引起基因組的非靶向位點(diǎn)的突變,造成研究結(jié)果不確定性。對(duì)未知領(lǐng)域應(yīng)積極探索,目前各研究運(yùn)用較為廣泛的Cas9蛋白基本都來自于Ⅱ型CRISPR 技術(shù),而Ⅰ和Ⅲ型仍有良好的發(fā)展?jié)摿?。同時(shí),應(yīng)注意運(yùn)用該技術(shù)獲得的轉(zhuǎn)基因植株是否符合法律規(guī)定,不斷提高無外源基因的水稻基因的效率和準(zhǔn)確性,對(duì)可能出現(xiàn)的不良情況加以預(yù)測(cè)并及時(shí)干預(yù)。