北大教授用CRISPR技术定点改造水稻基因

　　长期以来，科学家们一直想按照人类的设计定点改造特定基因以提高水稻的产量和质量，但定点基因改造技术在水稻等植物中一直没有突破。

　　CRISPR-Cas 系统定点突变水稻基因

　　北京大学生命科学学院的瞿礼嘉教授实验室利用最新的CRISPR-Cas系统成功地实现了对水稻特定基因的定点突变，效率达到80%以上。这一研究成果公布在Cell Research杂志上。

　　CRISPR 是细菌或古细菌在长期演化过程中形成的抵御病毒等外来DNA的一种获得性免疫防御机制，该机制由丹尼斯克公司的科学家于2007年发现的，很快受到很多领域科学家的重视，因为它具备非常有价值的特性：以特定的基因序列为靶向目标。CRISPR-Cas 系统在今年早些时候已被成功地用于在人、小鼠、斑马鱼、果蝇等模式动物中定点突变基因。

　　CRISPR的工作原理是 crRNA (CRISPR-derived RNA)通过碱基配对与tracrRNA(trans-activating RNA)结合形成 tracrRNA/crRNA 双元复合体，此复合体引导内切酶Cas9蛋白在与crRNA配对的序列靶位点剪切双链DNA，通过人工设计这两种RNA，可以改造形成具有引导作用的单个 sgRNA(single-guide RNA)，足以引导Cas9内切酶对DNA的定点切割。DNA双链发生断裂后，其在修复的过程中可实现定点插入、缺失、突变或修饰。

　　水稻两基因突变效率

　　瞿礼嘉教授实验室通过密码子优化技术使Cas9适于在水稻中表达，并且采用了强启动子驱动其表达。他们选定两个基因进行CRISPR-Cas定点突变，这两个基因分别是水稻叶绿素合成基因CAO1和分蘖夹角控制基因LAZY，结果表明，有83.3%的第一代转基因植株中CAO1基因相应位点发生了突变，而有高达91.6%的转基因植株中LAZY基因相应位点发生了突变，其中LAZY基因的突变纯合体的比例达到50%，均表现出分蘖夹角变大的表型，这说明利用 CRISPR-Cas系统可实现对水稻特定基因的高效定点突变。

　　由此，北京大学与中科院遗传发育所和中科院上海植物生理生态所一起成为世界上最先实现水稻特定基因定点突变的三个单位。CRISPR-Cas 定点基因突变技术可大大加快水稻功能基因组的研究，进而加快培育高产、高抗和优质的水稻品种，提高水稻的产量和品质。

　　之前利用CRISPR-Cas系统对植物基因编辑的尝试

　　中科院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究员领导的研究小组，在水稻等植物中构建了TALEN介导的基因定点突变体系，近期该研究小组利用CRISPR- Cas系统定点突变了水稻和小麦的OsPDS和TaMLO等5个基因，结果表明，水稻转基因植物中突变效率为4-9.4%，并在T0代收获了纯合突变体，表型为预期的矮小、白化。这项研究首次证实了CRISPR-Cas系统能用于植物的基因组编辑。研究成果发表在2013 年 8 月发表在《Nature Biotechnology》杂志上。

　　中科院上海植物逆境生物学研究中心朱健康研究员领导的课题组，研发出能对植物基因组定位修饰的 CRISPR-Cas技术，可对基因组中的任何位点进行编辑。研究人员定点诱变水稻、拟南芥的多个基因，都获得了较高的突变率，并在第一代获得纯和和嵌合突变体，且呈现出预期的突变表型。研究成果发表在《Cell Research》。