成都生物所张勇、张韬团队合作开发植物非编码序列高效编辑新工具

近日，中国科学院成都生物研究所张勇、张韬团队与电子科技大学、西南大学和美国马里兰大学研究团队合作在植物基因组编辑工具开发与非编码序列精准调控研究方面取得新进展。研究发现，原本在动物细胞中被定义为“糖基化酶碱基编辑器”的系统，在植物细胞中并不主要产生碱基替换，而是倾向于通过AP位点修复途径产生6 bp–20 bp范围的多核苷酸缺失，可有效用于启动子、UTR等非编码调控序列的精准编辑，为作物重要农艺性状改良提供了新的高效工具。相关研究成果以“Boosting genome editing of non-coding sequences in plants with glycosylase-mediated multi-nucleotide deletion editors”为题发表于Science Bulletin。

gMDEs 编辑体系的作用机制与应用概览

植物基因组中，真正编码蛋白质的区域仅占较小比例，而启动子、增强子、5′/3′-UTR、miRNA位点以及长链非编码RNA等非编码序列，则构成了基因组的大部分。虽然这些序列不直接编码蛋白质，但能够精细调控基因表达水平、时空表达模式和转录后调控过程，对植物生长发育、产量形成和环境适应具有重要影响。长期以来，如何高效、精准地编辑非编码调控元件，是植物基因功能研究和作物遗传改良中的关键技术难题。传统CRISPR-Cas9系统通常产生较短插入或缺失，难以完整破坏多个碱基组成的调控元件；Cas12a虽可产生较大缺失，但受PAM序列及可编辑植物种类限制较大，编辑应用范围受到约束。

针对这一问题，研究团队系统评估了糖基化酶碱基编辑器在植物中的编辑特征。结果发现，与其在动物细胞中主要产生碱基替换不同，该类编辑器在水稻中更倾向于产生6 bp—20 bp的多核苷酸缺失。研究表明，这一现象可能与植物细胞中AP lyase介导的DNA修复路径占优势有关。基于这一发现，研究团队将此类工具重新定义为糖基化酶介导的“多核苷酸缺失编辑器”（glycosylase-mediated multi-nucleotide deletion editors，gMDEs）。

gMDEs 在植物细胞中倾向产生多核苷酸缺失

研究团队进一步在水稻原生质体、稳定转化水稻植株以及大豆毛状根体系中验证了gMDEs的编辑能力及特性。结果显示，gMDEs能够在多个靶点产生高效多核苷酸缺失，且在单子叶植物和双子叶植物中均具有较好的适用性。通过全基因组测序和转录组测序分析，研究未发现显著的DNA或RNA脱靶效应，表明该工具具有较高的编辑特异性。

在应用验证方面，研究团队应用gMDEs对水稻株型调控基因OsD18的启动子进行编辑，获得了从正常株高到半矮秆、极矮秆等连续变化的株高类型，实验结果说明gMDEs能够有效产生多样化的启动子扰动，创制高频数量性状连续变异新种质，为精准分子设计育种提供了有效策略。随后，团队进一步对水稻粒型调控基因OsGLW7的5′UTR和3′UTR区域进行编辑，成功是活其中负调控元件，提高OsGLW7表达水平，使水稻籽粒变长、千粒重提高。其中，OsGLW7 3′UTR中的OsmiR156结合位点被鉴定为新的水稻粒长改良靶点。