CRISPR/Cas9系统介导的植物基因组编辑及其应用

王红霞 张一卉 李景娟 贺立龙 高建伟

摘要：CRISPR/Cas9 （clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9）系统是在细菌和古细菌中发现的一种抵抗病毒及质粒入侵的获得性免疫系统。该系统由sgRNA（single guide RNA） 及Cas9核酸酶组成，具有可操作性及效率高的优点，已被成功运用于多种植物基因组编辑，如小麦、水稻、玉米等。本文简要阐述了CRISPR/Cas9系统的发现、分类、结构及作用机制，重点综述了CRISPR/Cas9系统在植物方面的研究进展及前景，以期为利用基因组编辑技术改良农作物的产量、品质、抗病性等重要农艺性状提供参考。

关键词：CRISPR/Cas9；植物；基因组编辑

中图分类号：S336：Q78文献标识号：A文章编号：1001-4942（2018）02-0143-08

Abstract CRISPR/Cas9 （clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9） is an acquired immune system of bacteria and archaea， which can protect against virus and plasmid invasions. The system consists of sgRNA （single guide RNA） and Cas9 nuclease， which has advantages of maneuverability and high efficiency. It has been successfully applied to genome editing in a variety of plant species， such as wheat， rice， maize， etc. In this article， we briefly described the discovery， classification， structure and mechanism of CRISPR/Cas9 system， and focused on the research progress， development and prospect of CRISPR / Cas9 system application in plants， which would help us to improve crop plants in important agronomic traits such as yield， quality and disease resistance by genome editing technology.

Keywords CRISPR/Cas9； Plant； Genome editing

精準编辑基因组对植物重要基因功能研究、农作物遗传育种具有重要推动作用。许多研究者利用各种核酸内切酶如“基因组剪刀”编辑植物基因组，产生功能缺失突变体或对感兴趣的位点进行定点修饰，研究相关基因的功能及其作用机制。

锌指核酸酶（zinc-finger nuclease， ZFN）和类转录激活因子效应物（transcription activa-tor-like effector， TALEN） 是20世纪人类发现的基因组编辑工具，它们不仅被成功应用于植物基因组改造，并有望改革传统植物育种及基因组修饰。在ZFNs和TALENs基因组编辑系统中，首先，DNA结合蛋白和核酸内切酶FokⅠ融合形成人工核酸内切酶[1，2]，而人工核酸内切酶识别并切割特异DNA序列造成DSBs（double-strand breaks），最后通过非同源末端连接或同源重组的方式实现基因组碱基插入、删除或突变[3]（图1）。ZFNs和TALENs是两种有效的基因组编辑工具，但是也有其自身无法克服的缺点。在ZFNs应用中，大分子蛋白的设计与构建既昂贵又费时费力，因此ZFNs的应用在许多植物中受到限制[4]。……