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研究作者及机构
本研究的主要作者包括Xiaoxia Liu、Yingying Wang、Hongzhi Wang、Yuxin He、Yijiao Song、Zuren Li、Ming Li、Chuang Wei、Yinghui Dong、Li Xue、Jinshan Zhang、Jian-Kang Zhu和Mugui Wang。研究团队来自多个机构，包括中国农业科学院作物科学研究所/国家南繁研究院、宁夏大学生态与环境学院、中国科学院上海植物逆境生物学研究中心、中国科学院大学、南京农业大学生命科学学院、湖南省农业科学院杂草生物学与控制重点实验室、济南贝拉根生物技术有限公司以及南方科技大学生物医学工程研究所。该研究于2023年10月26日发表在《Plant Biotechnology Journal》期刊上。
学术背景
本研究属于植物基因编辑和作物育种领域。研究背景基于以下科学问题：精确序列插入或替换在植物中技术难度较大，但对作物育种具有重要意义，因为许多农艺性状受DNA片段变异的影响。尽管Prime Editing（PE，原初编辑）技术已不断优化，但其在较长序列的靶向插入或替换中效率仍然较低。为了解决这一问题，研究团队探索了Grand Editing（大片段编辑）策略，旨在提高较长序列插入的效率。此外，研究中还涉及对除草剂抗性和矮化水稻种质的开发，特别是针对HPPD抑制剂类除草剂（如三酮类）的抗性基因HIS1的修复，以及矮化基因OSSLR1的替换。
研究流程
研究分为多个步骤，详细流程如下：
1. Prime Editing与Grand Editing的设计与测试
- 研究首先比较了Prime Editing和Grand Editing在靶向插入28-bp片段（修复HIS1基因）中的效率。Grand Editing使用一对部分互补的pegRNAs（原初编辑引导RNA），通过删除18-bp基因组序列并插入46-bp设计序列（包括28-bp目标序列和18-bp替换序列）来实现目标。
- 在原生质体转化实验中，Prime Editing的精确插入效率为1.46%，而Grand Editing在10-bp互补序列（RTT-10）下的效率达到9.88%，显著高于RTT-18（3.76%）和RTT-26（0.59%）。
- 在稳定转化实验中，RTT-10构建的转基因株系中，11.5%的株系表现出对三酮类除草剂的抗性。
- 研究进一步在明恢86（一种三系恢复系）中验证了Grand Editing的效率，15.5%的转基因株系恢复了除草剂抗性。
HIS1基因修复的验证
Glyphosate抗性突变的引入
矮化基因OSSLR1的替换
主要结果
1. Grand Editing的高效性
- Grand Editing在靶向插入和替换长序列中表现出显著高于Prime Editing的效率，特别是在10-bp互补序列的设计下。
2. HIS1基因修复的成功
- 通过Grand Editing修复的HIS1基因恢复了功能，使水稻植株对三酮类除草剂表现出抗性。
3. Glyphosate抗性突变的引入
- Grand Editing成功引入了Glyphosate抗性突变，杂合突变株系及其后代均表现出抗性。
4. 矮化表型的实现
- 通过替换OSSLR1基因的28-bp片段，研究成功获得了矮化水稻株系。
结论与意义
本研究证明了Grand Editing技术在植物基因组中进行长片段插入和替换的高效性，为作物育种提供了重要的技术手段。特别是，该技术能够快速修复缺陷基因（如HIS1），解决除草剂抗性问题，并实现目标性状（如矮化）的精准调控。此外，研究还展示了Grand Editing在引入抗性突变和替换功能域中的广泛应用潜力。
研究亮点
1. 高效的长片段编辑技术
Grand Editing在靶向插入和替换长序列中表现出显著优势，为植物基因编辑提供了新的工具。
2. 多重性状的精准调控
研究成功实现了除草剂抗性和矮化表型的精准调控，展示了基因编辑在作物育种中的广泛应用前景。
3. 技术验证的全面性
研究在原生质体转化和稳定转化中均验证了Grand Editing的效率，并通过多代遗传分析证实了编辑的稳定性和可遗传性。
其他有价值的内容
研究还提到，Grand Editing结合位点特异性重组酶可实现长达11.1 kb的大片段插入，进一步扩展了其在植物基因组编辑中的应用范围。
以上是对该研究的全面报告，涵盖了研究的背景、流程、结果、结论及其科学价值。