Page 75 - 《广西植物》2021年第10期

ϟԡ 期 武 志 强 等 ᧥ 植物细胞器基因编辑研究进展 ϟ ᤃ ጢ ጢ
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ᣞᓣᡥ ँᅳʗʐ໧᧥ ੫ᔀႿᔀ ᔀʛᔽᡷᔽႿ੫ᖔ ఋዶᓂጶશ༁ᖔ ᆍʢ੫ᑕႿᔀ᤟᤟ᔀ ੫ᔀႿᆍቝᔀᖔ ቝᔽᡷᆍዹၤᆍႿʛʢᔽᑕ᤟ ੫ᔀႿᔀ ᔀʛᔽᡷᔽႿ੫ᖔ ዹၤ᤟ᆍʢᆍᡱ᤟ᑕ༁ᡷ ੫ᔀႿᔀᡷᔽዹ ᡷʢᑕႿ༁஦ᆍʢቝᑕᡷᔽᆍႿ

জজ 植物细胞内拥有三套独立的基因组ᗵᗵᗵ细胞 ྉၤᆍቝᆍ᤟ᆍ੫ᢃ᥋ʛᔽʢᔀዹᡷᔀʛ ʢᔀᡱᑕᔽʢᖔ ̀᧕኏ɯ 和非同源末端连
核基因组ܦ线粒体基因组和叶绿体基因组ྉ 图 ϟɯᤥ 接ྉႿᆍႿ᥋ၤᆍቝᆍ᤟ᆍ੫ᆍࣼ༁ ᔀႿʛ ᢼᆍᔽႿᔽႿ੫ᖔ શ̀ጶȮɯ的方式进行
除去拥有巨大遗传信息的细胞核之外ᖔ线粒体和 修复ᖔ由于修复过程容易发生错误进而导致基因
叶绿体是植物细胞中具有双膜系统的细胞器ᖔ它 突变的发生ᤥ
们的发育和增殖是受细胞核基因组及其自身基因 最常用的锌指结构是一组 ऊᢃ༁ ̀ᔽ༁ 锌指ᖔ该结
԰ ԰
组两套遗传系统的控制ᖔ称为半自主性细胞器ᤥ 构中每 ሕԡ 个左右的氨基酸结合一个锌原子ᖔ锌指
细胞核与线粒体和叶绿体之间存在着密切的ܦ精 ᧕શዶ 结合域通常包含 ሕ 个独立的锌指结构ᖔ每个
准的和严格调控的生物学机制ᤥ 线粒体和叶绿体 锌指结构能识别 ሕ 个碱基ᖔ即一个锌指结构域能
分别作为细胞中有氧呼吸和光合作用的场所ᖔ对 识别 ँᤦᡱ 长度的 ᧕શዶ 特异性序列 ྉ ऊᑕʢʢᆍ᤟᤟ᖔ
细胞生命活动的正常进行至关重要ᤥ 因此ᖔ了解 ԰ԡϟϟɯᤥ 由于 èᆍҴ᧧ 只有形成二聚体时才能行使剪
它们的基因功能和生命过程机制ᖔ如复制ܦ遗传ܦ 切作用ྉ୩ቝᔽᡷၤ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡԡԡɯᖔ所以一对 Իèશ༁ 包括 ᤃ
基因表达和基因组维持等对于进一步探索植物生 个锌指结构ᖔ可以识别 ϟऐ ᤦᡱ 长的 ᧕શዶ 特异性序
命活动的奥秘和作物遗传改良等研究意义重大 列ྉऊᑕʢʢᆍ᤟᤟ᖔ ԰ԡϟϟɯᤥ 有研究表明ᖔ增加锌指的数量
ྉ᣽ᑕझᑕቝᑕ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡϟँɯᤥ 近年来ᖔ利用基因编辑技 可以提高 Իèશ༁ 的特异性和效率并改善靶向性ᖔ对
术对植物细胞核基因组的修饰取得了显著的进 锌指 的定制组装可以靶向 不 同 的 ᧕શዶ 序列
展ᖔ已经成功应用在拟南芥ܦ烟草ܦ水稻ܦ玉米ܦ棉 ྉ᣽ၤᑕ᤟ᔽ᤟ᖔ ԰ԡ԰ԡɯᤥ 在农作物中ᖔԻèશ༁ 诱导内源基因
花ܦ小麦ܦ油菜ܦ大豆ܦ高粱ܦ西瓜ܦ葡萄ܦ苹果ܦ香 突变的第一个例子是在玉米细胞中ᖔ通过表达工
蕉ܦ橙子ܦ西红柿ܦ牵牛花ܦ莴苣ܦ木薯等众多植物 程化的 Իèશ༁ 靶向插入破坏玉米的 ᧇۗᣞϟ 基因ᖔ产
中ᖔ并取得了相应的研究成果 ྉ ᥘᑕႿ੫ၤऔᑕʢ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ 生具有除草剂抗性和在种子发育过程中具有预期
԰ԡϟँɯᤥ 而植物细胞器基因编辑方面的研究却相 肌醇磷酸盐分布变化的基因编辑玉米植株ྉ ୩ၤࣼҴ᤟ᑕ
对缓慢ᖔ目前仅在水稻ܦ油菜ܦ拟南芥ܦ烟草ܦ莴苣 ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡԡँɯᤥ 此外ᖔ对大豆ྉऊࣼʢᡷᔽႿ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡϟϟɯܦ
等植物中有相关报道ᤥ 细胞器基因编辑技术的发 油菜ܦ水稻ܦ番茄ܦ苹果和无花果ྉ۪ᔀᔀʢ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡϟጢɯ
展虽然面临许多严峻的挑战ᖔ但是在近几年取得 及杂合杨树ྉᓂࣼ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡϟᤃɯ 等多个重要经济植物
了一些技术上的突破ᤥ 本文将对植物细胞器基因 的细胞核基因也实现了定向突变ᤥ ାᆍႿᑕऔᔽᡷझ ᔀᡷ ᑕ᤟঎
编辑研究进展进行全面的综述ᤥ ྉ԰ԡϟँɯ利用 Իèશ༁ 编辑技术通过 શ̀ጶȮ 介导的多基
因靶向插入获得了可育的转基因大豆植株ᤥ
ϟজ 基因编辑技术的发展 ϓॹԣ ௴ዛᒦጛટ໧ 基因编辑技术
ఋዶᓂጶશ༁ 是继 Իèશ༁ 之后的第二代基因编辑技
ϓॹϓ ԮÞટ໧ 基因编辑技术 术ᖔ与 Իèશ༁ 有许多相似之处᧥ྉϟɯ ఋዶᓂጶશ༁ 也是一
Իèશ༁ 是第一代基因编辑技术ᖔ是由锌指蛋白 种人工限制性内切酶ଫྉ԰ɯ ᧕શዶ 结合域同样由多
的锌指 ᧕શዶ 结合结构域与 èᆍҴ᧧ 内切酶的剪切结 个模块组成ଫྉ ሕɯ 也包含有 èᆍҴ᧧ 限制性内切酶ᤥ
构域融合而成的限制性内切酶ྉ 图 ԰᧥ዶɯ ྉ ऊᑕʢʢᆍ᤟᤟ᖔ 典型 的 ఋዶᓂጶશ༁ 系统 是 由 શ 端的核定位信号
԰ԡϟϟɯᤥ 锌指ྉझᔽႿዹ᥋஦ᔽႿ੫ᔀʢᖔ Իèɯ是一种 ᧕શዶ 结合基 ྉႿࣼዹ᤟ᔀᑕʢ ᤟ᆍዹᑕ᤟ᔽझᑕᡷᔽᆍႿ ༁ᔽ੫Ⴟᑕ᤟ᖔ શᓂ୩ɯܦ中间可识别并结
序ᖔ在许多识别 ᧕શዶ 真核转录因子的 ᧕શዶ 结合域 合特异性 ᧕શዶ 序列的 ఋዶᓂጶ 串联重复ᖔ以及 ऊ 端
发现它的存在ྉ ᣽ၤᑕ᤟ᔽ᤟ᖔ ԰ԡ԰ԡɯᤥ èᆍҴ᧧ 是源于细菌 èᆍҴ᧧ 核酸组成ྉ图 ԰᧥ାɯ ྉ ᣽ၤᑕ᤟ᔽ᤟ᖔ ԰ԡ԰ԡɯᤥ ఋዶᓂጶ 是
的֒୩ 限制性内切酶ྉ ᓂᔽ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ϟँँ԰ɯᖔ其剪切结 由一种植物病原菌ᗵᗵᗵ黄单胞杆菌ྉ ᣏᐹႥᡙ၊ᅳቂᅳႥᐹ໧
构域并没有明显的序列特异性ྉ ऊᑕʢʢᆍ᤟᤟ᖔ ԰ԡϟϟɯᤥ ༁ᡱᡱ঎ɯ分泌产生的天然蛋白质ྉ ᥈ᑕᢼ ᔀᡷ ᑕ᤟঎ᖔ ԰ԡϟሕɯᤥ
当 ᧕શዶ 结合域和 ᧕શዶ 剪切域融合在一起时ᖔ就会 ఋዶᓂጶ 的 ᧕શዶ 识别结合结构域是一段长的串联重
形成一对高度特异性的ᥥ 分子剪刀ɼ 而造成 ᧕શዶ 复序列ᖔ可以特异地识别并结合特异 ᧕શዶ 序列ᤥ
序列的双链断裂ྉ ʛᆍࣼᤦ᤟ᔀ ༁ᡷʢᑕႿʛ ᤦʢᔀᑕҴᖔ ᧕୩ାɯᤥ 而 每个重复序列含有 ሕሕ ጲ ሕጢ 个氨基酸残基ᖔ其中的
造成 的 ᧕୩ା 通常是通过同源介导的修 复 第 ϟ԰ 位和第 ϟሕ 位的氨基酸残基是识别特异 ᧕શዶ