CRISPR技术用于改变花的颜色

在世界上,日本科学家使用革命性的CRISPR或CRISPR / Cas9基因组编辑工具来改变观赏植物的花色。筑波大学,国家农业和食品研究组织(NARO)和日本横滨市立大学的研究人员改变了日本传统园林植物的花色,日本牵牛花(Ipomoea nil或Pharbitis nil),从紫罗兰色到白色通过破坏单个基因。该研究强调了CRISPR / Cas9系统在园艺植物中研究和操作基因的巨大潜力。

日本国家生物资源项目(NBRP)中的两种传统园艺模式植物之一被选为日本牵牛花,或Asagao。已经对该植物进行了广泛的遗传学研究,其基因组测序和DNA转移方法已经建立。此外,由于公众对CRISPR / Cas9等基因技术的关注目前在日本是一个社会问题,使用这种广受欢迎且广泛种植的植物的研究可能有助于教育公众关于这一主题。

该研究小组针对一种基因,二氢黄酮醇-4-还原酶-B(DFR-B),编码花青素生物合成酶,负责植物茎,叶和花的颜色。另外两个非常密切相关的基因(DFR-A和DRF-C)并排放置在DFR-B旁边。因此,挑战是在不改变其他基因的情况下,特异性和准确地靶向DFR-B基因。使用CRISPR / Cas9系统,因为它是目前最精确的基因编辑方法。

CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)/ Cas9系统基于细菌防御机制。它由两个改变DNA序列的分子组成。Cas9是一种酶,可以在精确的位置切割两条DNA链,从而可以添加或去除DNA。通过gRNA或引导RNA将Cas9引导至正确的位置,RNA是一小段RNA,其被设计为与靶DNA序列互补。Cas9在目标位置切割两条DNA链,从而可以去除和/或添加DNA。

正如2017年8月30日在Scientific Reports报道的那样,选择日本牵牛花DFR-B基因中的短DNA序列作为CRISPR / Cas9系统的靶标。该序列含有DFR-B基因产生的酶的活性位点。因此,破坏该序列应该使酶失活,导致不含有色素花青素。使用植物细菌根瘤菌的DNA转移能力将CRISPR / Cas9系统插入日本牵牛花植物的组织培养胚胎中。正如所料,DFR-B酶成功灭活,导致约75%的转基因植物具有绿色茎和白色花。具有活性酶的未转化植物具有紫罗兰茎和花。在组织培养过程中很早就观察到茎色的这些变化。一系列遗传分析证实,DNA靶序列在转基因植物中已被改变,在DFR-B基因的两个拷贝中都有DNA插入或缺失(所谓的双等位基因突变体)。检查了其他相关基因DFR-A和DFR-C,未发现突变,证实了CRISPR / Cas9系统的高特异性。

接下来,研究人员通过分析下一代植物来检测CRISPR / Cas9诱导突变的遗传。这些植物看起来就像他们的父母。在这些植物中有一些没有任何引入DNA的迹象。这引起了一些有关转基因生物(GMOs)调控的有趣问题,因为这些下一代植物被认为是转基因的,基于基于过程的定义(它们是如何制造的),而非转基因的,基于产品 - 基于定义(最终产品中存在外源DNA)。

该技术在确认基因功能方面也非常有用。20世纪30年代和90年代的实验使用“前向”遗传筛选技术来寻找在日本牵牛花中产生花色的基因。这里描述的CRISPR / Cas9系统是'反向'遗传方法,用于找出已知基因被破坏后生物体的样子,并证实DFR-B基因是导致日本牵牛花颜色的主要基因。植物。

目前,CRISPR / Cas9技术不是100%有效,也就是说,并非所有靶向植物都是转基因植物。然而,本研究中75%的突变率相对较高。这是该研究将极大地促进那些对使用CRISPR / Cas9系统在观赏花卉或蔬菜中修饰花色和形状感兴趣的人的原因之一。

日本牵牛花的故事始于公元8世纪,从中国引入了野生蓝花植物到日本。1631年,第一个白花日本牵牛花在日本上漆。使用CRISPR / Cas9系统花费不到一年的自然需要花费近850年的时间,这表明它的功效和潜力。