PBJ | 中国农科院作科所夏兰琴团队开发Cas12i3-5M+T5E融合系统,让六倍体作物改良更高效!

学术   2024-12-23 09:03   湖北  

小麦是全球重要的粮食作物,但其复杂的六倍体基因组(AABBDD,2n=6x=42)和低转化效率使得基因组编辑变得困难。
尽管CRISPR/Cas12i3系统凭借其较小的蛋白质体积和宽松的PAM序列(TTN)具有一定的潜力,但其在植物中的编辑效率较低,且迄今为止尚未在小麦中成功应用。
2024年12月17日,Plant Biotechnology Journal在线发表了中国农科院作科所夏兰琴、李少雅团队的最新研究进展:‘Engineering a robust Cas12i3 variant-mediated wheat genome editing system’,该研究探索了基于Cas12i3-5M变体的小麦基因组编辑系统,以克服Cas12i3编辑效率低下的问题。
作者发现将T5外切酶(T5E)与Cas12i3-5M融合,显著提升了基因编辑效率。
进一步通过优化crRNA表达策略(使用35S复合启动子驱动tRNA-crRNA-HDV阵列),Opt-T5E-Cas12i3-5M系统在小麦稳定转化系中的编辑效率最高达88.99%
该系统在多个目标基因上表现出高效能,且在不同小麦品种(如ZM7698、ZM1860和ZS9170)中均实现了75%以上的编辑效率,展现了较强的普适性。
此外,该系统不仅显著提高了编辑效率,还诱导了更高比例的大片段缺失(>100 bp),有效克服了多倍体小麦基因组的同源修复问题。实验验证了T0代突变的遗传稳定性,T1代突变符合孟德尔分离规律,并成功获得无转基因的突变植株,进一步降低了实际应用的风险。

初步评估融合T5E的效果

在哺乳动物HEK293T细胞中测试编辑效率,目标基因为小麦的三个内源性位点(TaARE1-D、TaHRC-DTaSBEIIa)。对比测试了Cas12i3、Cas12i3-5M、ExoI-Cas12i3-5M、T5E-Cas12i3-5M,外加一个LbCas12a。

结果显示,Cas12i3-5M 的编辑效率显著高于 Cas12i3,但融合 ExoI 导致效率下降,而融合 T5E 的 Cas12i3-5M 在所有靶点的效率显著提升(提高 1.26~3.87 倍),且优于 LbCas12a。(图1)

T5E 可能通过降解 5' 突出端,抑制精准修复路径,增强错误修复(NHEJ),从而提高 indel 频率。

实验验证了 T5E-Cas12i3-5M 的高效性,为其在植物基因编辑中的进一步应用奠定了基础。

图1

终极优化版本:Opt-T5E-Cas12i3-5M

该版本采用35S-CmYLCV-U6复合启动子驱动tRNA-crRNA-HDV结构的表达,使用bar作为选择标记基因,在Cas12i3-5M的N端融合T5外切酶(T5E)。

Opt-T5E-Cas12i3-5M相比Opt-Cas12i3提高了高达7.95倍,相比Opt-Cas12i3-5M提高了1.33倍,在4个内源基因位点的平均编辑效率达到63.25%-88.99%。

TaARE1-D位点,获得77个独立突变体,其中41.56%(32/77)为双等位或纯合突变;TaHRC-D位点,获得49个独立突变体,67.35%(33/49)为D亚基因组的纯合或双等位突变;在TaSBEIIa位点,获得不同组合的A、B、D三个亚基因组的突变体,包括单基因组、双基因组和三基因组同时突变的类型。

能够产生较大片段的缺失,突变类型多样,包括缺失、插入和碱基替换,缺失大小从几个碱基到100多个碱基不等。(图2)

图2

这项研究首次成功实现了Cas12i3/Cas12i3-5M在六倍体小麦中的应用,通过T5外切酶(T5E)的融合和crRNA表达策略的优化,显著提高了基因编辑效率。该系统扩展了小麦基因编辑的靶序列范围,为小麦基因编辑提供了更灵活的选择。
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