基因编辑介导的基因驱动技术助力植物快速改良

    科学家借助被誉为“基因剪刀”的CRISPR基因编辑技术，研发出了人工“基因驱动”系统，并在酵母、果蝇和蚊子中证实可实现外部引入的基因多代遗传。

    这个技术可以理论上完全改变一个生态圈中的野生型(Wild type)物种。

    但是在植物中，应用仍然具有挑战性，从理论上讲，该技术可以通过提供新的杂草控制方法，在加速育种计划和促进粮食安全方面具有变革性作用。

    近期，科学家首次报道了在植物中实施基因驱动的可能性。

    近日，国际知名杂志Trends in Plant Science在线发表了巴基斯坦国家生物技术和遗传工程研究所农业生物技术部Shahid Mansoor团队撰写的题为“Gene drive: a faster route to plant improvement”综述。

    讨论了基因驱动技术改良植物的方法和威胁。

    当今，全球人口正在迅速增长，预计到2050年将达到100亿人。

    因此，粮食安全是联合国制定的重要可持续发展目标之一。

    应用新的植物育种技术(NPBTs)，如基因组编辑，可以为实现全球粮食安全的目标作出重大贡献。

    然而，优良品种农艺性状的选育周期较长，限制了遗传增益率。

    合成基因驱动是一种新的基因工程工具，旨在颠覆自然的正常遗传规律。

    在正常遗传的情况下，一个二倍体有机体内的特定等位基因只有50%的机会遗传给任何一个后代。

    然而，基于CRISPR/Cas9技术基因会增加这种可能性，理论上高达100%，尽管在现实中，效率等问题可能会限制这种增加。

    CRISPR/Cas9基因驱动被设计成与特定的基因组位点相匹配，一旦被激活，将识别出一个目标，并在该位置的DNA中创建一个双链断裂。

    在断裂修复过程中，基因驱动等位基因可能通过同源定向修复(HDR)复制到同源染色体上，从而将基因驱动杂合子转化为纯合子。

    基因驱动的潜在应用早已被人们所认识，而且该系统已被证明在一些昆虫中有效地工作。

    长期以来，科学家们一直建议在植物中使用基因驱动，但由于在植物中缺乏有效的HDR途径，造成这一技术一直无法在植物中实现。

    传统育种固定性状和产生纯合子系的过程缓慢且耗时，而基于CRISPR/Cas9的基因驱动可以大大加快固定性状和创建真正的育种品系的过程。

    近期，科学家首次报道了拟南芥中基于CRISPR/Cas9的基因驱动，通过合子转换创造了F1纯合子植物。

    此外，科学家证明了独立于基因驱动的内源性位点也可以通过非自主反式作用基因驱动设计实现纯合。

    成功的基因驱动的先决条件是有一个高效的HDR途径而不是非同源端连接(NHEJ)途径，后者是植物细胞DNA修复的主要机制。

    然而，已有研究表明，双链断裂(DSB)产生的时间和细胞中Cas9的数量在决定HDR是否会发生方面起着重要作用。

    目前的研究是由两个Cas9表达的独立整合启动的基因驱动构建到拟南芥的CRYPTOCHROME 1(CRY1)基因第二个外显子上。

    假设在胚胎发育的早期阶段，如果有足够的CRISPR/Cas9复合物沉积在胚胎中，这些结构可能导致合子转化，较高水平的Cas9导致较高的合子转化效率。

    科学家通过将EC-Cas9/DD4和DMC1-Cas9/DD4杂交到Landsberg (Ler)生态型证实了这一点。

    正常的孟德尔遗传和异交只能从这种杂交中产生杂合子；结果表明，EC-Cas9/DD4的纯合子株数为8.1%，而DMC1-Cas9/DD4的纯合子株数为3.08%。

    将卵细胞特异性启动子用于拟南芥细胞系的构建和背景，可提高HDR的效率(图一)。

    上述结果表明，该基因驱动位点具有由杂合态向纯合态转化的能力。

    另一种选择是使用驱动系统以一个独立的，次要的位置为目标，将该位点从杂合子转化为纯合子状态，本质上是驱动种群中特定等位基因的频率。

    第二种方法的优点是可以将修饰的位点从转基因驱动位点分离出来，从调控的角度可能有利于植物育种家。

    图一、基因驱动的超级孟德尔遗传基于CRISPR/Cas9的基因驱动已经成功地用于昆虫，包括蚊子(控制病媒传播的疾病)、果蝇和小鼠，但在植物中实施该技术被证明具有挑战性。

    科学家在拟南芥中展示了基因驱动，为植物中实现CRISPR/Cas9基因驱动开辟了新的途径，这可能有助于加快育种进程，以及抑制或根除杂草物种，包括入侵杂草。

    基因驱动与基因组编辑相结合可能有助于确定农业作物的数量性状。

    传统上，品种开发利用传统育种是通过一系列的近交系和自交产生纯合子系，然后进入广泛的试验程序，然后种子繁殖并将最终产品释放给农民。

    基因驱动可以大大减少获得纯合性和性状固定所需的代数，最终加速育种过程。

    在多倍体物种中产生修饰一直是一个挑战，但基因驱动可能是在多倍体物种中驱动同源等位基因修饰的有价值的工具。

    此外，基因驱动在植物中的一些直接应用可能是控制杂草和入侵植物物种。

    杂草是一个严重的农业威胁，一个新出现的挑战是杂草对除草剂的抗性进化。

    这些杂草可以通过多种方式通过基因驱动来控制。

    首先，可以通过传播影响杂草适应性的有害性状来抑制种群。

    第二，通过群体增敏驱动恢复抗除草剂杂草的敏感性，使其对已经使用的除草剂敏感，从而实现群体增敏。

    第三，杂草可以产生雄性显性性状，通过对雌雄异株杂草的靶向基因驱动来控制雄性。

    这可能有助于消除雌性杂草，导致当地物种灭绝。

    虽然在植物中的应用已经被证明，但所描述的系统可以在几个方面加以改进。

    例如，为了使它作为一种可行的植物育种工具来产生纯合子系。

    此外，在使用基因驱动作为种群控制工具的背景下(例如，杂草)，更有用的方法是将偏差步骤安排在生殖系中。

    解决这两个问题的方法可能在于提高其转录/翻译率和/或将其限制在转基因植物的种系中。

    然而，随着对植物细胞修复机制的深入了解，基因驱动可能成为改善农业、粮食安全和控制杂草的有效策略。

    原文链接：https://www.cell.com/trends/plant-science/fulltext/S1360-1385(21)00254-5