近日，崖州灣國家實驗室/中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所李家洋院士團隊和北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院張華偉團隊合作在國際學術期刊《分子植物》在線發(fā)表重要研究成果，該研究開發(fā)了一種新型基因組編輯策略——“榫卯系統(tǒng)”。該系統(tǒng)在水稻中實現(xiàn)了16.30%—59.47%的精準插入與替換效率，為植物基因組精準編輯提供了新工具，相關研究成果為作物遺傳改良開辟了新路徑。
精準、無痕的DNA插入與替換是植物基因組編輯領域的核心挑戰(zhàn)，對作物育種技術升級、保障糧食安全具有重要意義。當前主流的精準編輯技術多數(shù)基于先導編輯系統(tǒng)，而該技術核心專利的集中持有形成了對我國育種產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵性技術壁壘，顯著制約了自主創(chuàng)新成果的產(chǎn)業(yè)化進程。
“榫卯系統(tǒng)”的設計靈感源于中國古建筑傳統(tǒng)木工榫卯結(jié)構(gòu)，核心在于構(gòu)建“榫頭”和“卯眼”的精準互補配對。研究團隊利用高彩霞團隊此前開發(fā)的精準DNA刪除系統(tǒng)中的APOBEC-Cas9-UDG/AP裂解酶復合體，在基因組目標位點產(chǎn)生獨特的雙鏈斷裂結(jié)構(gòu)，即帶有單鏈或雙鏈5’-突出端的“卯眼”，同時設計帶有互補5’-粘性末端的雙鏈DNA供體作為“榫頭”，通過末端捕獲作用實現(xiàn)供體片段的精準插入或替換。
該系統(tǒng)展現(xiàn)出三大核心優(yōu)勢：一是特異性強，可精準生成預期長度的粘性末端，有效避免非特異性編輯；二是適用性廣，無論是單TC基序還是多TC基序的目標位點，均可通過設計對應粘性末端的供體實現(xiàn)高效編輯；三是功能全面，既能完成小片段的精準插入，也能實現(xiàn)片段替換，且編輯事件可穩(wěn)定遺傳給后代。
值得關注的是，“榫卯系統(tǒng)”在理論上具備大片段DNA編輯潛力。目前，研究團隊已針對“榫卯系統(tǒng)”的供體遞送效率、大片段供體制備等關鍵技術進行優(yōu)化探索。未來通過結(jié)合新型遞送技術與供體修飾方法，有望進一步降低脫靶風險，實現(xiàn)基因組DNA大片段精準編輯，拓展該系統(tǒng)在更多作物中的應用場景。
