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目前CRISPR/Cas9技术已发展为高效基因编辑工具，并被广泛应用于植物学研究。豆科植物与根瘤菌共生固氮将空气中的氮气转化成能被植物吸收利用的氮素，是自然界中生物固氮的重要途经，可以有效降低农业生产中的化肥施用量。通过CRISPR/Cas9基因编辑技术改造水稻、小麦、玉米等粮食作物，使其具有共生固氮的能力，有助于未来绿色农业的发展。近日，中国科学院分子植物卓越创新中心Jeremy Murray研究员联合上海师范大学许萍教授，巴黎萨克雷大学Florian Frugier教授在aBIOTECH 发表了题为“Applying conventional and cell-type-specific CRISPR/Cas9 genome editing in legume plants” 的综述论文。
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作者首先介绍了CRISPR/Cas9在模式豆科植物蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）、百脉根（Lotus japonicus）以及豆科作物大豆（Glycine max）中进行单个或多个基因以及非编码序列的编辑，从而探究共生固氮中早期侵染线的形成到后期根瘤发生、免疫应答调控网络以及系统性调控共生固氮分子机制等相关研究。同时，作者对CRISPR/Cas9在豆科植物中编辑效率的影响因素进行了分析总结，包括比较不同组成型启动子和具有不同特征的gRNA的编辑效率，还列举了CRISPR/Cas9基因编辑技术应用于转基因根转化和传统稳定遗传转化的优缺点。![]()
图1 细胞特异性CRISPR/Cas9技术相较于传统基因编辑的优点
作者重点总结了细胞类型特异性CRISPR/Cas9基因编辑技术在豆科植物共生固氮中的应用。包括使用苜蓿根瘤固氮区特异性表达的MtNCR158启动子驱动Cas9的表达进行Nodule Inception（MtNIN）的细胞特异性敲除，用于研究NIN等重要转录因子在根瘤固氮区的功能；以及利用苜蓿与根瘤菌共生早期侵染细胞中特异性表达的MtChOMT3启动子驱动Cas9对Aurora kinase 1（MtAUR1）基因进行精准编辑，研究AUR1等细胞周期基因在根瘤菌侵染早期的功能。该技术的优点在于规避由传统CRISPR/Cas9带来的严重表型缺陷和致死性突变等问题（图1）。作者随后还讨论了该技术的限制因素主要在于对特异性启动子的选择，转基因植物的筛选以及嵌合突变体的鉴定；并提出了应对策略和解决方案，总结了在苜蓿转基因根中应用细胞特异性CRISPR/Cas9的简化流程（图2）。图2 在苜蓿转基因根中应用细胞特异性CRISPR/Cas9的简化流程
总之，基于CRISPR/Cas9的基因编辑技术已成为豆科生物学研究的强大工具，为农业改良和共生固氮研究提供了新的技术手段。单细胞时空转录组测序技术的兴起预示着将能发掘出更多细胞类型特异性启动子，与CRISPR/Cas9基因编辑技术相结合，有望在不久的将来实现非豆科植物共生固氮的宏伟目标。中国科学院分子植物卓越创新中心高锦鹏博士（现为剑桥大学作物科学中心博士后）和巴黎萨克雷大学博士研究生苏洋杨为该综述论文的共同第一作者。该研究受到国家自然科学基金，国家留学基金委，比尔梅琳达盖茨基金会Enabling Nutrient Symbioses in Agriculture (ENSA)等多个项目的资助。
Gao, JP., Su, Y., Jiang, S. et al. Applying conventional and cell-type-specific CRISPR/Cas9 genome editing in legume plants. aBIOTECH (2024). https://doi.org/10.1007/s42994-024-00190-4本公众号免费发布招聘信息和宣传科研成果
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