高彩霞
全球最优秀的小麦基因工程专家,,利用 CRISPR-Cas9 等技术,在六倍体面包小麦中成功实现同时编辑 3 个同源等位基因,由此赋予小麦对“白粉菌”的遗传性抵抗力。此成果在《自然》子刊中发表,并作为
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研究学习经历:

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2014 年,在中科院遗传与发育生物学研究所担任研究员的高彩霞,与中科院微生物研究所的邱金龙研究员合作,利用 CRISPR-Cas9 等技术,在六倍体面包小麦中成功实现同时编辑 3 个同源等位基因,由此赋予小麦对“白粉菌”的遗传性抵抗力。此成果在《自然》子刊中发表,并作为唯一一篇植物学研究成果入选《Nature》杂志分册评选为“二十年二十篇”优秀论文。高彩霞也于去年入选《Nature》10 大中国科学之星。

生物 360 精选了高彩霞教授在 2016-2017 年发表的 3 篇文章,翻译摘要以供读者更好的了解其工作成果。由于个人翻译水平有限,如有错误感谢您的指正。

1. Yi Zhang, Zhen Liang, Yuan Zong, Yanpeng Wang,Jinxing Liu, Kunling Chen,Jin-Long Qiu & Caixia Gao.(2017) Efficient DNA-free genome editing of bread wheat using CRISPR/Cas9 ribonucleoprotein complexes. Nature communications, doi:10.1038/ncomms14261(注:开源 paper 可下载)

使用 CRISPR / Cas9 核糖核蛋白复合物对小麦进行高效的 DNA-free 基因组编辑

摘要:科学家们已为优化 CRISPR / Cas9 系统在精细作物育种的应用做了大量研究工作。优化最重要的目的是避免转基因整合并减少脱靶突变。这里我们推荐一种有效的基因组编辑方法,即在小麦中使用 CRISPR / Cas9 核糖核蛋白(RNPs)。从 RNP 制备开始,整个流程只需要 7~9 周,从 100 个未成熟的小麦胚中产生 4~5 个独立的突变体。深度测序揭示,在小麦细胞中,RNP 介导的基因组编辑脱靶概率比 CRISPR / Cas9 DNA 编辑的脱靶概率要低得多。与这个发现一致的是,在突变体植物中没有检测到脱靶突变。因为在 CRISPR / Cas9 RNP 介导的基因组编辑中不使用外源 DNA,获得的突变体完全不含转基因。该方法可广泛应用于生产基因组编辑的作物植物,并具有良好的商业化前景。

2. Li J1, Meng X1, Zong Y, Chen K, Zhang H, Liu J, Li J*, Gao C* (2016) Gene replacements and insertions in rice by intron targeting using CRISPR/Cas9. Nature Plants, doi: 10.1038/nplants.2016.139. (1co-first authors).(注:开源 paper 可下载)

通过使用 CRISPR / Cas9 的内含子靶向在水稻中完成基因置换和插入

摘要:现在科学家们已经利用序列特异性核酸酶,在各种植物中完成了靶向基因敲除。但是基因替换,甚至在植物基因组中特定基因座处插入基因仍然是一个严重的挑战。在这里,利用在修复途径中占主导地位的非同源末端连接 (NHEJ) 修复方式在水稻中建立了基于 CRISPR/Cas9 技术的一种能高效基因替换以及基因定点插入的方法。通过使用靶向相邻内含子的一对单引导 RNA(sgRNA)和包括相同对 sgRNA 位点的供体 DNA 模板,我们在水稻内源基因 5 - 烯醇丙酮酰莽草酸 -3- 磷酸合酶(EPSPS)中实现了基因置换,频率为 2.0%。我们还使用了一个靶向内含子的 sgRNA 和包括相同 sgRNA 位点的供体 DNA 模板,以 2.2% 的频率完成了靶向基因插入。携带具有预期取代的 OsEPSPS 基因的水稻植物具有草甘膦抗性。此外,位点特异性基因替换和插入能够完整地传到下一代。这些新开发的方法通常可用于替换靶向基因片段,并将外源 DNA 序列插入水稻和其他植物中的特定基因组位点中。

3. Zhang Y1, Liang Z1, Zong Y1, Wang Y, Liu J, Chen K, Qiu J, Gao C* (2016) Efficient and transgene-free genome editing in wheat through transient expression of CRISPR/Cas9 DNA or RNA. Nature Communications, doi: 10.1038/ncomms12617. (1 co-first authors). (注:开源 paper 可下载)

通过 CRISPR / Cas9 DNA 或 RNA 的瞬时表达,在小麦中进行有效的无转基因的基因组编辑

摘要:编辑植物基因组在难以转化的植物中是技术上的挑战,并且通常涉及转基因中间体,其引起调节问题。在这里我们报告两种简单和有效的基因组编辑方法,在这 2 中方法中,植物愈伤组织细胞能通过瞬时表达由 DNA 或 RNA 引入的 CRISPR / Cas9 促进再生。这种基于瞬时表达的基因组编辑系统,效率高,并具有在 T0 代产生无转基因和纯合的小麦突变体的特异性。实验证明我们的方法,能在六倍体小麦和四倍体硬粒小麦中完成基因编辑,并表明我们能够生成无可检测的转基因突变体。我们的方法可能适用于其他植物物种,因此说明了其能促进基础和应用植物基因组工程研究的潜力。

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代表性论文:

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1. Yi Zhang, Zhen Liang, Yuan Zong, Yanpeng Wang,Jinxing Liu, Kunling Chen,Jin-Long Qiu & Caixia Gao.(2017) Efficient DNA-free genome editing of bread wheat using CRISPR/Cas9 ribonucleoprotein complexes. Nature Communications, doi:10.1038/ncomms14261

2. . Li J1, Meng X1, Zong Y, Chen K, Zhang H, Liu J, Li J*, Gao C* (2016) Gene replacements and insertions in rice by intron targeting using CRISPR/Cas9. Nature Plants, doi: 10.1038/nplants.2016.139. (1co-first authors).

3. Zhang Y1, Liang Z1, Zong Y1, Wang Y, Liu J, Chen K, Qiu J, Gao C* (2016) Efficient and transgene-free genome editing in wheat through transient expression of CRISPR/Cas9 DNA or RNA. Nature Communications, doi: 10.1038/ncomms12617. (1 co-first authors).

4. Ji X1, Zhang H1, Zhang Y, Wang Y, Gao C* (2015) Establishing a CRISPR-Cas-like immue system conferring DNA virus resistance in plants. Nature Plants, doi: 10.1038/nplants.2015.144. (1 co-first authors).

5. Wang S, Li S, Liu Q, Wu K, Zhang J, Wang S, Wang Y, Chen X, Zhang Y, Gao C, Wang F, Huang H, Fu X* (2015) The OsSPL16-GW7 regulatory module determines grain shape and simultaneously improves rice yield and grain quality. Nature Genetics, doi:10.1038/ng.3352.

6. Shan Q, Zhang Y, Chen K, Zhang K & Gao C* (2015) Creation of fragrant rice by targeted knockout of the OsBADH2 gene using TALEN technology. Plant Biotechnology Journal, 13, 791-800.

7. Zhang, K, Liu, J, Zhang, Y, Yang, Z & Gao, C* (2015) Biolistic genetic transformation of a wide range of Chinese elite wheat (Triticum aestivum L.) varieties. Journal of Genetics and Genomics, 42, 39-42.

8. Shan Q, Wang Y, Li J, Gao C*(2014) Genome editing in rice and wheat using the CRISPR/Cas system. Nature Protocols, 9, 2395-2410.

9. Gao C* (2015) Genome editing in crops: from bench to field. National Science Review, 2, 13-15.

10. Wang Y1, Cheng X1, Shan Q, Zhang Y, Liu J, Gao C*, Qiu J * (2014) Simultaneous editing of three homoeoalleles in hexaploid bread wheat confers heritable resistance to powdery mildew. Nature Biotechnology, 32, 947-951. (1 co-first authors) (Recommended in F1000Prime).

11. Xiao J, Xu S, Li C, Xu Y, Xing L, Niu Y, Huan Q, Tang Y, Zhao C, Wagner D, Gao C, Chong K* (2014) O-GlcNAc-mediated interaction between VER2 and TaGRP2 elicits TaVRN1 mRNA accumulation during vernalization in winter wheat. Nature Communications, 5, 4572.

12. Voytas D F*, Gao, C* (2014) Precision genome engineering and agriculture: opportunities and regulatory challenges. PLoS Biology, 12, e1001877.

13. Liang Z, Zhang K, Chen K, Gao C* (2014) Targeted Mutagenesis in Zea mays Using TALENs and the CRISPR/Cas System. Journal of Genetics and Genomics, 41, 63-68.

14. Chen K, Shan Q, Gao C* (2014) An efficient TALEN mutagenesis system in rice. Methods, 69, 2-8.

15. Chen K, Gao C* (2014) Targeted genome modification technologies and their applications in crop improvements. Plant Cell Reorts, 33:575-583.

16. 李君, 张毅, 陈坤玲, 单奇伟, 王延鹏, 梁振, 高彩霞 * (2013) CRISPR/Cas 系统:RNA 靶向的基因组定向编辑新技术. 遗传. 35(11): 1-9.

17. Shan Q1, Wang Y1, Li J1, Zhang Y, Chen K, Liang Z, Zhang K, Liu J, Qiu J*, Gao C* (2013) Targeted genome modification of crop plants using a CRISPR-Cas system. Nature Biotechnology, 31, 686-688. (1 co-first authors).

18. Chen K, Gao C* (2013) TALENs: Customizable Molecular DNA Scissors for Genome Engineering of Plants. Journal of Genetics and Genomics, 40(6): 271-279.

19. Shan Q1, Wang Y1, Chen K1, Liang Z, Li J, Zhang Y, Zhang K, Liu J, Voytas D F, Zheng X, Zhang Y*, Gao C* (2013) Rapid and efficient gene modification in rice and Brachypodium using TALENs. Molecular Plant, 6, 1365-1368. (1 co-first authors).

20. Long D, Wu X, Yang Z, Lenk I, Nielsen K, Gao C* (2011) Comparison of three selectable marker genes for transformation of tall fescue (Festuca arundinacea Schreb.) plants by particle bombardment. In Vitro Cell Dev. Biol. Plant, 47, 658-666.

21. Brkljacic J, Grotewold E, Scholl R, Mockler T, Garvin D, Vain P, Brutnell T, Sibout R, Bevan M, Budak H, Caicedo A, Gao C, Gu Y, Hazen S, Holt B, Hong S, Jordan M, Manzaneda A, Mitchell-Olds T, Mochida K, Mur L, Park C, Sedbrook J, Watt M, Zheng S, Vogel J* (2011) Brachypodium as a Model for the Grasses: Today and the Future. Plant Physiology, 157, 1-11.

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3周前

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