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利用RNA病毒递送系统在小麦中实现无转基因和组织培养的遗传基因组编辑

期刊:nature plantsDOI:10.1038/s41477-025-02023-8

该文档属于类型a,是一篇关于利用RNA病毒载体实现小麦可遗传基因组编辑的原创性研究论文。以下是针对该研究的学术报告:


作者与发表信息

本研究由Ji-Hui Qiao(乔继辉)、Ying Zang(臧颖)等来自中国农业大学生物学院植物抗逆高效全国重点实验室的团队完成,合作单位包括中国农业大学植物保护学院和国家玉米改良中心。论文于2025年5月18日在线发表于Nature Plants期刊,标题为《Transgene- and tissue culture-free heritable genome editing using RNA virus-based delivery in wheat》(基于RNA病毒载体的小麦非转基因、无组织培养可遗传基因组编辑),DOI号为10.1038/s41477-025-02023-8。


学术背景

研究领域:植物基因组编辑与作物育种。
科学问题:CRISPR-Cas9技术虽已广泛应用于作物育种,但在单子叶植物(如小麦)中,编辑试剂的递送仍存在技术瓶颈。传统方法(如农杆菌转化或基因枪)依赖转基因和组织培养,存在基因型依赖性强、再生效率低、耗时长等问题。
研究目标:开发一种基于负链RNA病毒(大麦黄条点花叶病毒,Barley yellow striate mosaic virus, BYSMV)的递送系统,实现小麦高效、非转基因、可遗传的基因组编辑,突破基因型限制。


研究流程与方法

1. BYSMV载体构建与优化

  • 载体设计:将Cas9 mRNA和靶向小麦八氢番茄红素脱氢酶(TaPDS)基因的sgRNA插入BYSMV基因组,构建重组病毒BY-Cas9-sgRNATaPDS
  • 关键创新:在Cas9和sgRNA末端融合转移RNA类似序列(tRNA-like structure, TLS),增强其向分生组织的移动性(基于前人发现TLS可触发系统mRNA运输)。
  • 病毒拯救:通过农杆菌浸润本氏烟叶片,提取病毒后经灰飞虱(small brown planthopper, SBPH)接种小麦,验证病毒系统性感染(荧光标记RFP示踪)。

2. 体细胞编辑效率验证

  • 实验对象:小麦品种“科兴3302”及其他7个中国主栽品种(如百农4199、周麦36等)。
  • 检测方法:高通量测序(Hi-TOM)分析TaPDS靶位点突变,发现TLS融合使编辑效率从50%提升至近100%。
  • 结果:BY-Cas9T-sgRNATaPDS-T(含TLS)在分蘖节中诱导同步突变,产生纯合或双等位突变体。

3. 可遗传编辑验证

  • 分蘖策略:切除主茎促进分蘖,新生分蘖中约10%呈现白化表型(TaPDS敲除导致光合缺陷)。
  • 遗传分析:白化分蘖的M1代幼苗均为非转基因(RT-PCR检测无病毒和Cas9残留),且携带稳定遗传的突变(100%双等位或纯合突变)。
  • 扩展应用:在功能基因(如抗病毒基因TaSDN1和TaEIF4E)中成功实现无表型筛选的遗传编辑。

4. 跨品种适用性测试

  • 样本量:8个小麦品种中,4个(如百农4199、豫州473)成功获得可遗传突变体,证明系统对基因型依赖性低。

主要结果

  1. 病毒递送系统高效性:BYSMV载体可同时递送Cas9和sgRNA,TLS融合显著提高分生组织编辑效率(Fig. 1g-h)。
  2. 可遗传编辑突破:分蘖节点编辑产生的M1代无需组织培养即获得纯合突变体(Fig. 2f),且无转基因成分(Extended Data Fig. 4)。
  3. 广谱适用性:在多个小麦品种和功能基因(TaPDS、TaSDN1、TaEIF4E)中验证成功(Extended Data Fig. 6-8)。

逻辑链条:病毒载体设计→分生组织靶向编辑→分蘖节点突变捕获→遗传稳定性验证→跨品种推广。


结论与价值

科学意义
- 首次利用负链RNA病毒实现单子叶植物的可遗传基因组编辑,填补了病毒诱导基因组编辑(VIGE)在单子叶植物中的空白。
- 提出“分蘖编辑”(VIGET)策略,绕过组织培养,缩短育种周期。

应用价值
- 为小麦及其他单子叶作物(如玉米、高粱)提供非转基因、低基因型依赖的育种工具。
- 潜在推动多基因编辑和精准碱基替换(如碱基编辑器)在作物改良中的应用。


研究亮点

  1. 方法创新:BYSMV载体兼具大容量(可携带Cas9+多sgRNA)和高效递送能力,TLS融合解决分生组织靶向难题。
  2. 技术突破:首次实现病毒介导的小麦可遗传编辑,编辑效率高达100%(Fig. 1g)。
  3. 跨学科价值:整合植物病毒学、基因组学和作物育种技术,为CRISPR递送系统提供新范式。

其他有价值内容

  • 局限性:BYSMV宿主范围有限(26种单子叶植物),对无分蘖作物(如玉米)需进一步优化。
  • 专利与扩展:团队已申请中国专利(202411608574.7),计划开发基于其他移动RNA元件的递送系统。

(注:文中Fig.和Extended Data引用均对应原文献图表。)

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