Plant breeding plays a vital role in ensuring global food security by increasing crop yields, improving nutritional quality and creating crops that are adaptable to climate change. However, current plant transformation methods present significant hurdles—
植物育种通过提高作物产量、改善营养质量和培育适应气候变化的作物，在确保全球粮食安全方面发挥着至关重要的作用。然而，目前的植物转化方法存在重大障碍——它们是劳动密集型的，成本高昂，对许多重要的植物物种不起作用。
加州大学洛杉矶分校领导的一项突破性研究发表在《自然植物》杂志上，通过使用常见植物病毒提供的微型CRISPR系统，开发了一种在植物中进行可遗传、无转基因基因组编辑的简化方法，克服了这些局限性。
加州大学伯克利分校的杰出分子、细胞和发育生物学教授Steven Jacobsen与CRISPR-Cas9的共同发明人Jennifer Doudna和Jill Banfield合作，改造了烟草拨浪鼓病毒，使其携带一种名为ISYmu1的紧凑型CRISPR样酶，以靶向芥菜模型植物拟南芥中的特定DNA序列。
重要的是，基因组变化可以传递给后代，新系统不会在编辑的植物中留下病毒或任何外来DNA。
“CRISPR有可能对农业产生巨大影响，可以根据世界各地的当地需求进行定制，”诺贝尔奖获得者、创新基因组学研究所创始人杜德纳说。“这项研究结合了我的实验室和我们在加州大学洛杉矶分校雅各布森实验室的朋友的优势，开发了一种在作物中进行精确CRISPR工程的新方法，以帮助实现这一承诺。”该研究的资深作者、加州大学洛杉矶校区Eli和Edythe Broad再生医学和干细胞研究中心的成员雅各布森（Jacobsen）分析了为什么这项技术代表了植物育种的重大进步。
本文的主要进展是什么？我们的研究团队开发了一种微型CRISPR系统，该系统使用烟草拨浪鼓病毒将基因编辑工具直接传递给拟南芥植物的生殖细胞或生殖细胞，从而产生遗传变化并传递给后代。
长期以来，植物育种一直面临着一个关键的瓶颈：高效地将基因编辑工具传递给正确的细胞。传统方法需要复杂的实验室技术，其中植物组织在特定条件下在培养皿中培养，一次修改一个细胞，然后重新生长成完整的植物——这一过程需要数年时间才能为每种植物物种开发，而且对许多有价值的作物（如菜豆）根本不起作用。
虽然植物病毒是一种很好的传递机制，但传统的CRISPR系统太大，无法包装到这些病毒中。我们通过利用一种类似CRISPR的DNA切割酶克服了这种尺寸限制，这种酶足够小，可以放入烟草拨浪鼓病毒中。
你是如何得出这些发现的？首先，我们的团队在植物细胞中筛选了各种微型CRISPR系统，确定紧凑型酶ISYmu1是我们最有效的基因编辑工具。
然后，我们改造了烟草拨浪鼓病毒，使其携带这种微小的编辑器，并使用一种天然土壤细菌将病毒引入拟南芥植物。一旦进入，病毒就会在整个植物中传播，将CRISPR系统传递到任何地方。
成功的编辑产生了一个清晰的视觉标记——受影响的区域变白，包括幼苗，确认编辑到达了生殖细胞。由于植物自然会阻止病毒进入种子，因此只有DNA修饰才能传递给种子并由下一代遗传。
因此，在一个步骤和一代人的时间里，该系统允许创建完全正常的植物，除了单个预期的DNA变化。
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这些发展让你感到兴奋的是什么？该系统标志着新一代基因组编辑工具的开始，可以彻底改变作物改良。如果可以在当前修改可行且以前不可修改的植物中更有效地进行编辑，我们就可以加速开发产量更高、营养状况更好、更适应气候变化的作物。
这种方法之所以特别有前景，是因为烟草拨浪鼓病毒可以感染400多种植物。因此，我们可能能够将这个精确的系统用于西红柿和许多其他重要作物。
凭借我在农业方面的背景——在加利福尼亚州的一个杏仁牧场长大，在我的职业生涯中一直在研究这个领域——我认识到交付是植物生物技术的主要瓶颈。我特别热衷于将这项技术应用于发展中国家种植的投资不足的作物，因为那里根本没有传统的基因组编辑技术。
你能谈谈与Jennifer Doudna和Jill Banfield的合作吗？以及你们实验室的专业领域是如何互补的？这种合作是一个很好的例子，说明当科学是一项团队运动时，一切皆有可能。Jennifer Doudna博士是CRISPR的专家，Jill Banfield博士是通过大量序列筛选新CRISPR系统的专家，我是植物专家。加州大学伯克利分校的实验室专门从事这些微小CRISPR系统的发现和表征，而我们的团队在植物细胞中筛选了这些系统，并确定了适用于该应用的最佳病毒。我们很高兴能继续合作，改进这一工具，从而大大改善植物育种。
研究的下一步是什么？我们开始在其他植物中测试这项技术，包括重要作物。
目前，该系统一次只能对植物DNA进行一次更改。我们的下一步是设计工具来开发多路复用能力——允许一次进行多个基因组编辑。
我们还专注于提高效率。我们计划增强CRISPR系统本身和感染频率，以大幅提高成功率。p