一种新的CRISPR驱动植物基因驱动技术

杂草对大多数家庭园丁来说是一种令人讨厌的刺激物，但在大型农业环境中，杂草可能会造成特别致命的问题。例如，被称为帕尔默猪草的掌叶苋，在许多地区已经进化为对现代除草剂具有完全抗性，使其能够接管玉米、大豆和其他重要作物。为了让猪草再次对除草剂敏感，你需要改变它的基因

在人群中传播特定的遗传特征，即使这种特征对携带者没有好处，也是“基因驱动”的目的。基因驱动可以用于许多不同的应用。它们分为两大类：种群改造和种群抑制

种群改造可以使蚊子对疟疾免疫，从而无法传播，或者使作物在气候变化的预期中更耐热。种群抑制可用于局部减少或消除杂草或入侵物种

但任何基因编辑程序都需要有严格的内置控制，以保持修饰局限于特定区域，并防止其他物种意外继承修饰基因

现在，加州理工学院的研究人员开发了一种新的基因驱动技术，称为ClvR（发音为“clever”），可以专门针对植物物种进行定制，防止异花授粉情况下的意外基因编辑

至关重要的是，这项技术可以被设计成自我限制的，只在有限的几代人中传播所需的基因，从而限制它们在时间和空间上的传播。这项工作是第一个在植物中进行工程化基因驱动，也是第一个实现物种特异性修饰的工作，也是第一次在植物性细胞水平上发挥作用的工作

6月17日，一篇描述这项新研究的论文发表在《自然植物》杂志上。这项研究是在生物学和生物工程教授Bruce Hay的实验室进行的。

你如何对一种植物进行基因工程，使其后代一定会拥有某种感兴趣的基因？在繁殖动植物时，父母体内存在的两个基因拷贝中的一个由后代随机遗传

基因驱动使遗传天平倾向于其中一个拷贝：负责产生基因驱动的DNA所在的拷贝。随着时间的推移，这导致其在人群中传播的频率很高

ClvR确保感兴趣的基因通过影响植物的性细胞或配子而传递。ClvR系统使用CRISPR/Cas9基因编辑技术来确保如果配子不包含所需的基因，它将无法存活。通过这种方式，任何未来的后代都将来自具有所需基因的配子

该系统通过使用所谓的“毒素/解药”范式来工作。Cas9（“毒素”）被编程为在成年阶段破坏配子存活所需的基因，基本上确保其死亡。但问题是，携带ClvR的配子也具有相同靶基因的未受损版本（“救援”或“解药”），其功能类似于毒药的解药，导致携带ClvR的配子存活

这种拯救——配子存活的关键——也与一种货物基因有关，研究人员希望将这种感兴趣的基因传播到植物群体中。换句话说，货运基因和救援基因搭上了顺风车。这确保了只有同时含有这两种基因的配子才能存活——基本上迫使货物基因进入种群

“赢得比赛有两种方法：比所有其他选手都好，或者绊倒所有其他选手，”Hay说。在这种情况下，ClvR系统通过确保只有具有所需货物的性细胞存活下来，从而绊倒了所有其他可以由后代遗传的竞争染色体

重要的是，ClvR系统可针对不同情况进行自定义。毒素和解药基因可以被选择为对所需的植物物种具有特异性，这样，如果遗传信息被传递到另一个物种，就不会发生任何事情

此外，“货物”基因可以被设计用于各种目的——例如，该基因可以使猪草对除草剂重新敏感，或者使濒危植物更耐热或更抗病——这是一种进化拯救

最后，ClvR系统也可以通过产生高频率的不育雌性来实现对杂草或入侵物种的局部抑制或消除，这会导致种群崩溃

Hay说：“ClvR系统提供了一种通用的物种特异性工具，可以改变植物种群的遗传学，从而应对全球挑战，如受入侵物种和气候变化威胁的濒危本土物种和生态系统的粮食安全和复原力。”。“我们很高兴能在这些问题上与其他人合作。”