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基因組結(jié)構(gòu)變異（SV）是植物遺傳多樣性的重要來源，也是基因組進(jìn)化和優(yōu)異農(nóng)藝性狀形成的重要驅(qū)動(dòng)力。因此，探究如何高效精準(zhǔn)地操縱植物基因組結(jié)構(gòu)變異對(duì)植物性狀改良和農(nóng)業(yè)生物育種具有重要意義。目前，基于CRISPR/Cas的基因組編輯技術(shù)在植物性狀改良中得到廣泛應(yīng)用。而這些技術(shù)的編輯尺度大部分情況下局限于少數(shù)幾個(gè)核苷酸的替換、刪除和插入。盡管CRISPR/Cas9結(jié)合雙sgRNAs能夠在植物中實(shí)現(xiàn)基因組大片段DNA的刪除和倒位等操縱，但效率較低。同時(shí)，由于該策略依賴于DNA雙鏈斷裂（DSBs）產(chǎn)生，編輯產(chǎn)物常常引入較多非預(yù)期的編輯，甚至導(dǎo)致復(fù)雜的染色體重排。因此，開發(fā)不依賴于DSBs、高效且精準(zhǔn)的植物大片段DNA和染色體操縱技術(shù)，對(duì)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(shù)創(chuàng)新的迫切需求。近日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所王延鵬研究組與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究中心科研人員合作，開發(fā)了高效且精準(zhǔn)的植物基因組大片段DNA操縱技術(shù)——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(shí)現(xiàn)kb至Mb級(jí)的染色體片段精準(zhǔn)無縫的刪除、替換和倒位。DualPE具體開發(fā)思路為利用植物高效引導(dǎo)編輯系統(tǒng)，在目標(biāo)編輯的染色體片段的兩端以PAM-in形式創(chuàng)制一對(duì)反向的3′ DNA flaps。通過對(duì)上述兩個(gè)3′ DNA flaps的序列和配對(duì)方式進(jìn)行操縱，誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)的DNA修復(fù)方式發(fā)生相應(yīng)改變，實(shí)現(xiàn)了染色體片段的精準(zhǔn)無縫刪除、替換和倒位。進(jìn)一步，針對(duì)雙子葉植物在精準(zhǔn)基因組編輯技術(shù)，尤其是大片段精準(zhǔn)編輯工具開發(fā)方面的不足，該研究探討了DualPE系統(tǒng)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(dǎo)編輯載體，分別使用2×35S和EF1α啟動(dòng)子來驅(qū)動(dòng)ePPEplus蛋白的表達(dá)。進(jìn)一步，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，DualPE在本氏煙草葉片基因組中能夠?qū)崿F(xiàn)長達(dá)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(zhì)體和遺傳轉(zhuǎn)化結(jié)果表明，DualPE系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)番茄基因組725bp-10kb的大片段刪除、替換和倒位，效率達(dá)72.7%，并在T0代可獲得高達(dá)27.3%的純合精準(zhǔn)大片段編輯突變體。DualPE在單子葉植物小麥中表現(xiàn)出色，能夠高效實(shí)現(xiàn)雙子葉植物大片段DNA精準(zhǔn)編輯，有望成為單雙子葉植物染色體編輯的重要技術(shù)。該研究開發(fā)了高效精準(zhǔn)的植物大片段DNA操縱和染色體編輯技術(shù)，拓展了植物精準(zhǔn)基因組編輯的尺度，為復(fù)雜染色體結(jié)構(gòu)變異的創(chuàng)制提供了新策略。同時(shí)，這一成果為生物育種技術(shù)創(chuàng)新、植物合成生物學(xué)研究、植物新性狀乃至新型植物創(chuàng)制提供了技術(shù)支撐。為方便用戶簡(jiǎn)單、快速使用這一技術(shù)，科研人員開發(fā)了網(wǎng)頁版設(shè)計(jì)工具DualPE-Finder（http://wheat.cau.edu.cn/DualPE_Finder/），以提供DualPE介導(dǎo)的大片段DNA編輯策略設(shè)計(jì)方案。1月13日，相關(guān)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(fā)表在《自然-植物》（Nature Plants）上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部重大專項(xiàng)等的支持。DualPE介導(dǎo)的植物染色體片段的無縫刪除、替換和倒位