Editorial: Engineering future crops through genome editing

doi:10.3389/fpls.2025.1720325

Editorial: Engineering future crops through genome editing

2025-10-29

0

OA

AI

DOI：10.3389/fpls.2025.1720325

原文链接

查看原文

摘要

En 中文

强调在将基因组编辑突破转化为农业实践过程中所取得的进展以及仍面临的挑战。在以下章节中，我们综合了这些贡献，并讨论了它们如何共同阐明作物基因组工程的前进道路。干旱和病原体是全球作物产量最显著的限制因素。增强对这些挑战的抵抗力对于在恶化的环境条件下实现稳定的产量至关重要。本专题的这三项研究突出了CRISPR-based策略如何通过目标明确的实验研究和新兴靶点与方法的广泛综述，应用于增强多种作物的抗逆性。帽结合蛋白（CBPs），在脱落酸信号传导和RNA加工中起核心作用，已与拟南芥（Hugouvieux et al.，2001）和大麦（Daszkowska-Golec et al.，2017）的抗旱性相关联。在马铃薯中，RNAi介导的StCBP80抑制改善了抗旱性能（Pieczynski et al.，2013）。基于这一知识，Decima-Oneto等人使用CRISPR-Cas9生成了具有增强抗旱性的CBP80编辑马铃薯系。这项工作展示了基因组编辑在开发抗旱马铃薯品种方面的潜力，并对其他作物具有更广泛的启示。在生物胁迫中，霜霉病是一种主要病害，严重降低了葡萄产量。Giacomelli等人靶向了Downy Mildew Resistance 6（DMR6）易感性基因，这些基因已知在病原体相互作用中发挥关键作用（Thomazella et al.，2021）。通过同时破坏DMR6-1和DMR6-2，作者成功培育出对霜霉菌病原体Plasmopara viticola易感性降低的葡萄植株。这项研究展示了基因组编辑如何应用于多年生果树，并强调了通过修饰宿主易感性基因来增强抗病性的潜力。补充这些实验研究，本专题中的几篇综述提供了关于CRISPR-based抗逆性的更广泛视角。Ton等人对CRISPR-Cas在芸苔属作物中的应用进行了全面综述，涵盖了干旱、盐度、极端温度等非生物胁迫，以及来自多种病原体的生物胁迫。该综述强调了有前景的基因靶点，并描述了一种用于开发抗逆品种的基因组编辑工作流程。Park等人进一步扩展了这一讨论，通过考察CRISPR-based突变库筛选作为一种强大的方法来鉴定新型免疫相关基因，重点关注水稻和棉花。Chandrasekaran等人提出了另一种视角，提出将亚tilis蛋白酶作为基因组编辑靶点以提高产量和质量，并引用了它们在免疫、果实发育和脱落中的作用。他们呈现了辣椒亚tilis蛋白酶的系统发育分析，以突出潜在候选基因。除了产量和抗逆性外，面向消费者的性状，如风味、致敏性和减少食物浪费，在作物改良中变得越来越重要。本专题包括两项研究，这些研究以酶促褐变的小麦和豆类种子蛋白质过敏原为例，阐述了这些目标。多酚氧化酶（PPOs）驱动酶促褐变，这降低了植物产品的质量和市场价值，并导致食物浪费。在小麦中，由谷物研磨引起的PPO活性导致面粉、面团和其他最终产品逐渐褐变和变色（Taranto et al.，2017）。为解决这一问题，Wold-McGimsey等人采用了一种靶向不同小麦品种中七个PPO1和PPO2拷贝保守区域的sgRNA。编辑后的植物表现出显著降低的PPO活性，导致面团褐变程度显著减轻。这项研究说明了基因组编辑如何改善食品质量，为消费者和食品行业带来直接益处。大豆致敏性可能对消费者健康构成担忧。在大豆种子蛋白质中，GmP34被认为是一种主要过敏原（Helm et al.，2000）。早期的基因组编辑工作主要集中于破坏GmP34（Sugano et al.，2020）。Baek等人扩展了这一策略，还靶向了同源基因GmP34h1和GmP34h2，它们与Gmp34共享保守的过敏原肽基序。使用多基因CRISPR-Cas9，他们生成了单、双和三重突变体，其种子中过敏原蛋白含量减少。这些编辑系为未来的致敏性测试和开发低过敏性品种奠定了基础。植物基因组编辑的有效性依赖于推进能够实现精确高效编辑的方法和资源。本专题中的四篇文章展示了多重编辑、核酸酶评估、突变多样性以及计算平台方面的创新如何扩展植物基因组编辑的CRISPR工具箱。Milner等人解决了多重编辑的挑战，这是一种在多倍体作物中靶向多个基因的关键策略。他们通过使用相同的sgRNA靶向水稻、小麦和大麦中的相同基因，比较了两种广泛使用的多重编辑系统：tRNA加工和核酶介导的引导RNA递送。在水稻中，两种系统表现相似，但在小麦和大麦中，tRNA系统更高效，为谷物的多重编辑策略提供了有价值的指导。基于对可靠测量核酸酶和sgRNA活性的需求，Cao等人开发了一种快速、便捷的毛根基 assay系统，用于大豆。该系统使用红宝石报告基因对转化阳性根进行可视化识别，并通过与Cas9编辑结合进行了首次验证。作者随后将该assay应用于设计和优化ISAam1 TnpB核酸酶，展示了其作为紧凑型Cas替代品的潜力。与原生质体基assay不同，该毛根平台简单，不需要无菌条件，并能够快速在植物体内评估核酸酶和sgRNA效率。在某些物种中，突变频率受限于转化和再生效率低下。Ito等人探索了一种替代策略，通过将野生型植株与携带RIPENING INHIBITOR（RIN）基因双等位基因突变的T0系杂交，在番茄中生成突变多样性。F1后代表现出亲本中不存在的全新编辑，表明CRISPR-Cas9活性可以持续到转化之后，并通过杂交产生额外变异。该策略为那些初次转化产生少数或无理想编辑的物种或品种提供了实用选择。补充这些实验进展，Saraswat等人综述了基因组编辑中的计算工具。他们总结了用于CRISPR系统分类和预测的数据库和工具，以及用于gRNA设计和脱靶分析的平台。这些资源对于扩展CRISPR工具箱以及提高编辑结果的准确性、效率和可预测性至关重要。基因组编辑试剂的高效递送在植物生物技术中至关重要，尤其是对于难以转化和再生的物种（Chen et al.，2022）。本专题介绍了三种互补策略，包括病毒递送紧凑型核酸酶、无转基因核糖核蛋白（RNP）编辑以及在植物体内转化方法，这些方法有助于克服这些挑战。病毒诱导基因组编辑（VIGE）的主要局限性是病毒载体的载量有限，这阻碍了大核酸酶（如SpCas9）的递送。解决方法包括感染表达Cas9的植物以携带移动的gRNA（Ellison et al.，2020）和使用紧凑型核酸酶（Weiss et al.，2025）。在此背景下，早期使用马铃薯X病毒（PVX）的工作表明，SpCas9可以在接种的烟草花叶叶中诱导诱变，但未能实现系统性编辑（Ariga et al.，2020）。Ishibashi等人通过PVX载体部署工程化的AsCas12f（约为SpCas9的三分之一大小），解决了这一问题。这使得感染组织实现了系统性、高效的诱变，表明紧凑型核酸酶可以克服尺寸限制并扩展VIGE的应用范围。无转基因基因组编辑可以缓解监管障碍并提高公众接受度。原生质体转化后植物再生提供了一条强大途径，尤其适用于世代周期长的多年生果树。柑橘是一个及时示例，因为溃疡病严重降低了产量。在早期工作中，（Su et al.，2023）使用Cas12a核糖核蛋白（RNPs）和单个crRNA生成了抗溃疡柑橘。在本专题中，Su等人扩展了这一策略，采用靶向溃疡易感性基因CsLOB1的三个crRNA。与早期研究主要产生小插入缺失不同，多重RNP方法产生了长删除和倒位，展示了无转基因的RNP多重编辑用于更复杂编辑的可行性。Correia等人综述了在植物体内转化方法作为多年生牧草替代组织培养的方案。多年生牧草对可持续农业具有显著益处，因为它们有潜力减少土壤侵蚀和改善碳封存，并且比一年生作物需要更少的投入。然而，其转化受到基因型抗性和低再生效率的阻碍，导致其进展落后于其他作物。该综述探讨了分生组织靶向和病毒介导的转化等方法，并讨论了它们在基因组编辑和这些作物的驯化中的潜力。尽管基因组编辑技术和应用正在迅速发展，但监管和政策框架继续决定这些创新如何快速到达农民和消费者手中。Ricroch等人提供了田间试验的全球概述，这些试验对于在新品种的转基因和基因组编辑作物中评估真实环境下的农艺潜力至关重要。他们的调查显示，研究活动在多种作物种类和性状类别中不断扩大，反映了强劲的科学势头。然而，持续的障碍仍然存在，包括监管延迟，以及在某些地区，限制性框架阻碍或阻止了田间测试。这项研究强调了需要协调、基于科学的监管，以确保性状工程方面的进展从实验室走向田间，支持可持续农业和全球粮食安全。本专题“通过基因组编辑工程未来作物”突出了植物基因组编辑在性状、方法、转化途径和监管视角方面的快速进展。综合来看，这些贡献展示了CRISPR如何应用于增强抗逆性、改善面向消费者的性状，并扩展用于多种作物的编辑工具箱。尽管势头强劲，但转化和编辑效率、基因型依赖性以及监管障碍等壁垒依然存在。展望未来，持续的工具新发、整合到育种管道以及进步的政策将是实现基因组编辑在粮食安全、消费者健康和可持续农业方面全部潜力的关键。

Editorial: Engineering future crops through genome editing

摘要

AI总结

期刊

机构

引用论文