高粱作为一种重要的粮食和能源作物，在全球粮食安全和可再生能源领域具有重要地位。然而，高粱的遗传改良面临着转化效率低、组织培养困难等瓶颈，严重阻碍了其优良性状的开发和利用。迫切需要开发一种无需组织培养的体内基因编辑方法，以加速高粱的遗传改良进程。
植物RNA病毒因其复制效率高、表达水平高、系统性移动能力强等特点，成为基因递送的理想载体。然而，目前缺乏高效的单子叶植物病毒载体，限制了病毒诱导的基因编辑技术在单子叶作物中的应用，尤其是在高粱中。
2024年12月11日，The Plant Journal（IF：7.09）在线发表了明尼苏达大学Daniel F. Voytas团队的最新研究进展：‘Rapid and efficient in planta genome editing in sorghum using foxtail mosaic virus-mediated sgRNA delivery’，为了克服高粱面临的基因编辑问题，该研究尝试利用植物RNA病毒作为递送工具，直接在植物体内（in planta）传递CRISPR/Cas9系统中的单链向导RNA（sgRNA），以实现基因组的精准编辑。
该团队优化的狐尾花花叶病毒（FoMV）载体能够直接感染高粱并在全株范围内传播，绕过了组织培养的过程，成功递送sgRNA至体细胞并诱导高频率的基因突变（突变率最高达60%），且产生了明显的表型变化。
图1
BSMV 载体在烟草中表现出良好的感染和外源基因表达能力，成功表达了 AmCyan 荧光蛋白。然而，当尝试将其应用于高粱时，BSMV 载体完全失去了感染能力，无法在高粱植株中复制和移动，更无法表达 AmCyan 蛋白或递送 sgRNA。因此，BSMV 载体在本研究中被证实不适用于高粱的体内基因编辑，无法实现预期的基因编辑目标。
FoMV 载体不仅在烟草中表现出良好的感染和外源基因表达能力，而且成功感染了高粱植株，并在高粱体内系统性移动，表达了 AmCyan 荧光蛋白。（图2）
图2
为了评估 FoMV 病毒载体介导的高粱体内基因编辑效果，作者选择了 MgCh、Lw1 和 PDS 三个目标基因，设计了特异性 sgRNA，并将其插入到 FoMV 载体中。利用表达 Cas9 和 GFP 的转基因高粱植株，通过摩擦接种或直接注射的方式，将携带 sgRNA 的 FoMV 病毒液或农杆菌导入高粱植株。
结果显示，FoMV 载体能够有效递送 sgRNA，并在高粱体内诱导基因编辑，其中 MgCh 和 Lw1 基因的平均编辑效率分别达到 40% 和 30%，个别植株甚至高达 53% 和 38%。然而，PDS 基因的编辑导致多数植株死亡，推测是由于基因沉默或双拷贝突变导致。（图3）
直接注射法也成功诱导了基因编辑，且效率与摩擦接种法相当，最高可达 60%，并简化了实验流程。
这些数据表明，FoMV 载体具有高效的高粱体内基因编辑能力。
图3
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