基因組結構變異（SV）是植物遺傳多樣性的重要來源，也是基因組進化和優異農藝性狀形成的重要驅動力。因此，探究如何高效精準地操縱植物基因組結構變異對植物性狀改良和農業生物育種具有重要意義。目前，基于CRISPR/Cas的基因組編輯技術在植物性狀改良中得到廣泛應用。而這些技術的編輯尺度大部分情況下局限于少數幾個核苷酸的替換、刪除和插入。盡管CRISPR/Cas9結合雙sgRNAs能夠在植物中實現基因組大片段DNA的刪除和倒位等操縱，但效率較低。同時，由于該策略依賴于DNA雙鏈斷裂（DSBs）產生，編輯產物常常引入較多非預期的編輯，甚至導致復雜的染色體重排。因此，開發不依賴于DSBs、高效且精準的植物大片段DNA和染色體操縱技術，對植物遺傳改良具有重要意義，是植物染色體工程和生物育種技術創新的迫切需求。
近日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所王延鵬研究組與中國農業大學小麥研究中心科研人員合作，開發了高效且精準的植物基因組大片段DNA操縱技術——DualPE。DualPE能夠在單子葉植物普通小麥以及雙子葉植物本氏煙草和番茄中高效實現kb至Mb級的染色體片段精準無縫的刪除、替換和倒位。DualPE具體開發思路為利用植物高效引導編輯系統，在目標編輯的染色體片段的兩端以PAM-in形式創制一對反向的3′ DNA flaps。通過對上述兩個3′ DNA flaps的序列和配對方式進行操縱，誘導細胞內的DNA修復方式發生相應改變，實現了染色體片段的精準無縫刪除、替換和倒位。
進一步，針對雙子葉植物在精準基因組編輯技術，尤其是大片段精準編輯工具開發方面的不足，該研究探討了DualPE系統在雙子葉植物中的編輯潛力。研究改造了適用于雙子葉植物本氏煙草和番茄的引導編輯載體，分別使用2×35S和EF1α啟動子來驅動ePPEplus蛋白的表達。進一步，實驗驗證發現，DualPE在本氏煙草葉片基因組中能夠實現長達134.7kb的刪除、1.6kb的刪除、66bp的替換以及20.1kb的倒位。番茄原生質體和遺傳轉化結果表明，DualPE系統可以實現番茄基因組725bp-10kb的大片段刪除、替換和倒位，效率達72.7%，并在T0代可獲得高達27.3%的純合精準大片段編輯突變體。
DualPE在單子葉植物小麥中表現出色，能夠高效實現雙子葉植物大片段DNA精準編輯，有望成為單雙子葉植物染色體編輯的重要技術。
該研究開發了高效精準的植物大片段DNA操縱和染色體編輯技術，拓展了植物精準基因組編輯的尺度，為復雜染色體結構變異的創制提供了新策略。同時，這一成果為生物育種技術創新、植物合成生物學研究、植物新性狀乃至新型植物創制提供了技術支撐。
為方便用戶簡單、快速使用這一技術，科研人員開發了網頁版設計工具DualPE-Finder（http://wheat.cau.edu.cn/DualPE_Finder/），以提供DualPE介導的大片段DNA編輯策略設計方案。
1月13日，相關研究成果以Precise deletion, replacement, and inversion of large DNA fragments in plants using dual prime editing為題，在線發表在《自然-植物》（Nature Plants）上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、農業農村部重大專項等的支持。
DualPE介導的植物染色體片段的無縫刪除、替換和倒位
本文鏈接：研究開發出植物高效精準大片段DNA操縱及染色體編輯技術http://www.sq15.cn/show-12-647-0.html
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