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解决方案：基因工程
3. 解释为什么 CRISPR/Cas 复合物可以被描述为一个模块化系统。解释这给细菌带来的优势以及如何在研究或实验室中使用。 CRISPR/Cas 复合物由不同的构建块组成：可变的 CRISPR RNA 分子和始终相同的 Cas9 蛋白。 CRISPR RNA 分子彼此不同，因为每个分子都携带自己的间隔序列。这给细菌带来的好处是，不同的“病毒谱”可以以病毒 DNA 的形式存储在细菌基因组中，并且可以为每种病毒类型创建特定的 CRISPR/Cas 复合物，从而成功地在特定位置切割入侵的外来 DNA。这会在细菌的免疫系统中产生一种“特定记忆”。在实验室中，这可用于在特定位置特异性切割任何 DNA，从而使基因失去功能或插入新基因。工作表 3：农业革命 1. 创建术语的定义：转基因植物细胞。转基因植物细胞是其遗传物质含有外来基因的植物细胞。利用基因工程方法，将外来基因整合到植物基因组中。产生了重组 DNA。 2. 描述如何使用 CRISPR/Cas 基因编辑来创建具有抗性基因的玉米植物。在使用基因剪刀的过程中，它被引入植物细胞中。它可以在不插入外来 DNA（来自其他物种的基因）的情况下改变植物的基因组。为此，基因剪刀在所需位置剪断植物基因组。一个新的 DNA 片段（带有所需的抗性基因）可以准确地插入到此时。基因剪刀本身随后被完全降解。 3. 解释为什么玉米植株必须由转基因单细胞培育而成。细胞经过基因改造后，改变的遗传物质会在有丝分裂过程中传递给所有子细胞。因此，玉米植株是由转基因单细胞培育而成的。 4. 个人解决方案5. 参考任务4中的方法，解释与传统基因工程方法相比，使用CRISPR/Cas基因剪刀的优势。可能的优点： - 仅将基因剪刀引入细胞 - 无需外来 DNA（仅使用植物自身的 DNA）的基因改造 - 基因剪刀完全降解 - 简单、快速、廉价、精确 6. 区分基因工程和基因组编辑这两个术语，并解释与转基因产品的营销和开发有关的术语选择。基因工程包括跨越物种界限操纵基因的技术过程。传统方法是使用所谓的载体，将外来 DNA 引入要修改的基因组中。这种外来 DNA 通常含有要引入基因组的所需基因，通常来自细菌。因此，基因组通过引入细菌 DNA 获得了新的所需特性。就 CRISPR/Cas 剪刀而言，该工具只是在特定位置切割基因组并将所需的（抗性）基因插入那里。这种抗性基因也可以在实验室中产生，而且在这种情况下不必来自其他物种。在转基因产品的营销和开发方面，“基因组编辑”规避了基因工程必须遵守的严格规定。这也可能使此类产品在市场上获得更广泛的接受。
番茄果实外果皮优先启动子的鉴定及在遗传工程中的应用
番茄 ( Solanum lycopersicum ) 是一种全球性种植的作物，具有巨大的经济价值。外果皮决定了番茄果实的外观，并在收获前和收获后保护其免受各种生物和非生物挑战。然而，目前还没有番茄外果皮特异性启动子，这阻碍了基于外果皮的基因工程。在这里，我们通过 RNA 测序和逆转录-定量 PCR 分析发现番茄基因 SlPR10 ( PATHOGENESIS RELATED 10 ) 在外果皮中大量表达。由 2087-bp SlPR10 启动子 ( pSlPR10 ) 表达的荧光报告基因主要在 Ailsa Craig 和 Micro-Tom 品种的转基因番茄植株的外果皮中检测到。该启动子进一步用于番茄中 SlANT1 和 SlMYB31 的转基因表达，它们分别是花青素和角质层蜡质生物合成的主要调节因子。pSlPR10 驱动的 SlANT1 表达导致花青素在外果皮中积累，赋予果实抗灰霉病和延长保质期，而 SlMYB31 表达导致果皮蜡质增厚，延缓水分流失并延长果实保质期。有趣的是，pSlPR10 和另外两个较弱的番茄外果皮优先启动子在转基因拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 植物的子房中表现出一致的表达特异性，这不仅为番茄外果皮和拟南芥子房之间的进化同源性提供了线索，而且为研究拟南芥子房生物学提供了有用的启动子。总的来说，这项研究报告了一种理想的启动子，能够在番茄外果皮和拟南芥雌蕊中实现靶基因表达，并证明了其在番茄果实品质遗传改良中的实用性。
CRISPR/Cas9 介导的脱落酸受体基因多重敲除降低了大豆种子发芽过程中对脱落酸的敏感性
摘要：脱落酸（ABA）是一种重要的植物激素，参与调节植物生长、发育和逆境响应中的多种功能。多种蛋白质参与调控环境胁迫下ABA信号转导机制，其中PYR1/PYL/RCAR家族为ABA受体。本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑系统和单个gRNA敲除大豆三个PYL基因：GmPYL17、GmPYL18和GmPYL19。T0代植株基因分型结果显示，gRNA可有效敲除GmPYL17、GmPYL18和GmPYL19基因靶序列，并使其发生不同程度的缺失。一组诱导的等位基因被成功转移到后代。在T2代，我们获得了双重和三重突变的基因型。在种子萌发阶段，CRISPR/Cas9技术制备的GmPYL基因敲除突变体，尤其是gmpyl17/19双突变体对脱落酸的敏感性低于野生型。利用RNA-Seq技术，通过3个生物学重复研究不同处理下萌发幼苗对脱落酸反应相关的差异表达基因。gmpyl17/19-1双突变体种子萌发过程中对脱落酸的敏感性降低，突变株高和分枝数高于野生型。在脱落酸胁迫下，GO富集分析显示一些正向萌发调控因子被激活，降低了脱落酸敏感性，促进了种子萌发。本研究为从分子水平上深入研究脱落酸信号通路及其关键成分的参与提供了理论基础，有助于提高大豆对非生物胁迫的耐受性，同时也有助于育种者调控和提高大豆在不同胁迫条件下的产量和品质。
PDF：从土壤中获得的梭形溶菌杆菌的分离和诊断及其作为小麦作物生物肥料的用途
这项研究由伊拉克农业部植物保护局开展，旨在了解在小麦品种 IPA-99 中添加植物生长促进微生物 (PGPM)（巴西安氏螺旋菌、梭形赖氨酸芽孢杆菌、鹰嘴豆根瘤菌 CP-93、荧光假单胞菌、巨大芽孢杆菌和哈茨木霉）作为生物肥料与 25% 矿物肥料的效果。实验室研究包括分离和鉴定赖氨酸芽孢杆菌，该菌在体外与这些微生物之间没有拮抗作用。研究结果表明，T2处理在大多数性状中均表现优异，包括分蘖数（4.00 分蘖株 -1 ）、穗长（10.50 cm）、每穗小穗数（19.50 小穗穗 -1 ）、百粒重（3.50 g）和每穗粒数（35.43 粒穗 -1 ）。该处理在籽粒氮含量（4.870%）、磷含量（1.943%）、钾含量（4.156%）和蛋白质含量（30.43%）等方面也表现出色。除生物产量特性（处理T5（62.30 g株 -1 ）优于处理T1（23.10%））和收获指数（处理T2）外，T2优于所有处理。但是，它们与处理T2之间并无显著差异。关键词：小麦、梭形芽孢杆菌、生物肥料、PGPM、生长和产量性状 主要发现：梭形芽孢杆菌作为生物肥料处理，结合 25% 的推荐矿物肥料剂量，显著提高了小麦的生长和产量参数。此外，生物肥料还增加了小麦植株中 NPK 的利用率。
基因组编辑指南-...
前言 基因组编辑技术已被确定为实现《非洲联盟 2063 年议程》而增强现有干预措施的潜在新选择。随着基因组编辑工具变得更加精细，预计用于基础研究、保护、农业、公共卫生和其他目的的基因组编辑技术的拟议应用可能会继续扩大。 基因组编辑在植物和动物改良以及医学领域有广泛的应用。例如，成簇的规律间隔短回文重复序列 (CRISPR) 已被用于编辑水稻基因组，从而改善与产量相关的性状，例如密集而直立的圆锥花序和降低植株高度；开发晚花大豆，导致营养体大小增加；开发抗柑橘溃疡病的柑橘植物；生成适合人类疾病建模的动物，例如 CRISPR 编辑的食蟹猴，用于研究无法在小鼠身上充分研究的脑部疾病；用于治疗人类免疫缺陷病毒 (HIV) 的研究等。为应对基因组编辑技术的不断进步，管理局通过广泛的利益相关方协商和审查已部署此类技术的其他国家的监管机制，制定了一份指导文件，以确定基因组编辑技术的监管流程。该文件涵盖了实施的各个方面，以及该国的基本测试途径和实施策略，同时考虑到所有可能的社会文化和伦理问题。本文件并非旨在详细说明如何进行基因组编辑产品的风险评估和风险管理。
CRISPR Cas9 编辑多聚半乳糖醛酸酶 FaPG1 ...
硬度是草莓最重要的果实品质性状之一。这种软果实采后保质期在很大程度上受到硬度损失的限制，而细胞壁的分解起着重要作用。先前的研究表明，多聚半乳糖醛酸酶 FaPG1 在草莓软化过程中对果胶的重塑起着关键作用。在本研究中，使用农杆菌传递的 CRISPR/Cas9 系统生成了 FaPG1 敲除草莓植株。获得了 10 个独立品系 cv.“Chandler”，经 PCR 扩增和 T7 内切酶测定确定所有品系均已成功编辑。使用靶向深度测序分析了定向诱变插入和删除率。编辑序列的百分比从 47% 到几乎 100% 不等，其中 7 个选定品系的编辑序列百分比高于 95%。表型分析表明，在所分析的 8 个品系中，有 7 个品系产生的果实明显比对照更坚硬，硬度增加了 33% 到 70%。 FaPG1 编辑程度与果实硬度增加呈正相关。其他果实品质特征（如颜色、可溶性固体、可滴定酸度或花青素含量）的变化很小。编辑后的果实在采后软化率降低，蒸腾水分损失减少，受灰葡萄孢菌接种的损害较小。对四个潜在脱靶位点的分析未发现突变事件。总之，使用 CRISPR/Cas9 系统编辑 FaPG1 基因是提高草莓果实硬度和保质期的有效方法。
靶向敲除真核翻译起始因子4E使冬大麦获得对丝状病毒的抗性
真核翻译起始因子 4E (EIF4E) 是许多植物物种中马铃薯病毒感染的已知易感因子。大麦黄花叶病毒病是由大麦黄花叶病毒 (BaYMV) 和大麦温和花叶病毒 (BaMMV) 引起的，可导致冬大麦产量损失高达 50%。秋季，幼小的大麦植株的根部被土传的根瘤寄生虫 Polymyxa graminis L. 感染，该寄生虫是病毒载体。病毒建立并系统性扩散到植物上部后，叶子上首先出现黄色花叶。在植物进一步发育的过程中，该病会导致叶子坏死，并且更易受霜冻伤害。由于 HvEIF4E 基因的 rym4 和 rym5 等位基因变体，超过三分之二的欧洲冬大麦品种对 BaYMV 和 BaMMV 具有抗性。然而，几种 BaYMV 和 BaMMV 菌株已经克服了 rym4 和 rym5 介导的抗性。因此，大麦育种需要新的抗性等位基因。因此，我们在 BaMMV/BaYMV 易感冬大麦品种“Igri”中通过 Cas9 内切酶对 EIF4E 基因进行了定向诱变。产生了小插入，导致翻译阅读框发生移位，从而导致 EIF4E 功能丧失。突变发生在原代突变体中已经处于纯合状态。它们的后代被证明总是纯合的并且完全抵抗 BaMMV 的机械接种。EIF4E 敲除植物表现出正常的生长习性并产生谷物，但产量受损。
实验性种子去甲基化后的长期甲基化组变化及其与香叶草（Geraniaceae）中反复水分胁迫的相互作用
• 全球亚热带和温带地区干旱期的频率和长度正在增加。表观遗传对水分胁迫的反应可能是植物抵御这些难以预测的挑战的关键。实验性 DNA 去甲基化与应激因子的应用相结合是揭示表观遗传学对植物应激反应贡献的适当策略。• 在温室中，我们分析了用 5-氮杂胞苷对种子进行去甲基化和/或反复受水胁迫后，一年生地中海草本植物 Erodium cicutarium 成年植株叶片胞嘧啶甲基化的变化。我们使用亚硫酸盐 RADseq (BsRADseq) 和新报道的 E. cicutarium 参考基因组，以 2 9 2 因子设计表征甲基化变化，控制植物相关性。 • 从长期来看，仅用 5-氮杂胞苷处理会导致单个胞嘧啶的低甲基化和高甲基化，在 CG 环境中会出现显著的低甲基化。在对照条件下，干旱导致除 CHH 环境中所有环境中的甲基化减少。相反，经历反复水胁迫并用 5-氮杂胞苷处理的植物的基因组使 DNA 甲基化水平增加约 5%。• 种子去甲基化和反复干旱在整体和特定环境中的胞嘧啶甲基化方面产生了高度显著的相互作用。大多数甲基化变化发生在基因区域周围和转座因子内。这些与基因相关的差异甲基化区域的注释包括几个在应激反应中具有潜在作用的基因（例如 PAL、CDKC 和 ABCF），证实了表观遗传在分子水平上应对应激的贡献。
植物遗传和基因组资源促进作物持续改良
一般而言，作物的起源中心与其最大程度的多样性有关。然而，也应注意，作物在驯化和栽培的过程中可能会形成多个多样性中心（Harlan，1971；Harlan，1975）。提出的驯化过程长期多中心模型特别适用于栽培作物，而不适用于其野生近缘种，因为栽培作物受到的人工选择压力较大，而野生近缘种只受到自然选择压力（Allaby 等人，2008）。这反映在一种作物的不同种质种质中多种性状以阵列模式共存于多个位置，每个种质都拥有不同的感兴趣性状组合（Esquinas-Alca zar，2005）。例如，为了表示水稻的谷粒大小和颜色、植株结构、种子落粒性（但适合脱粒）、各种非生物和生物胁迫耐受性、糯粒、开花时间和生命周期（短、中、长周期）等性状的完全变异性，我们需要大量的基因型（Izawa，2022 年；Shang 等人，2022 年）。如果我们将驯化过程中选择压力的结果以性状与变异性的形式列出，每个细胞包含适当的基因型，我们将获得一系列代表不同表型性状及其内部变异性的种质。这将揭示，如果特定基因型丢失，作物植物更容易受到遗传侵蚀（与作物野生近缘种 CWR 相比）。这是因为尽管存在自然选择压力，但农作物野生亲缘植物由于缺乏人工选择压力而未能多样化（在排列模式上）。保护这些珍贵的农作物遗传资源和农作物野生亲缘植物对于通过持续的农作物改良实现粮食安全至关重要。
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尽管成簇的规律间隔短回文重复序列 (CRISPR)/CRISPR 相关 9 (Cas9) 系统已广泛应用于模式植物的基础研究，但其在作物应用育种中的应用面临着巨大的监管障碍，主要是因为人们对该系统的真实产出了解甚少，特别是在更高代中。在本研究中，与以往的任何研究不同，我们详细研究了 CRISPR/Cas9 产生的 T 2 至 T 4 代 SD1（半矮 1 ）突变体的分子特征和生产性能，其中 T 1 和 T 2 的选择仅通过对半矮植株的视觉表型进行分析来完成。我们的数据不仅揭示了 T 2 植物中具有小或较大插入/缺失的靶内突变和脱靶突变，而且还揭示了外源元素。所有 indel 突变体无需额外修饰即可稳定传递至 T 3 或 T 4，且与 Cas9 的存在无关，而一些品系则显示出 Cas9 或一些外源元件的意外遗传模式。此外，各种 SD1 等位基因对水稻株高和产量的影响因遗传背景而异。综上所述，我们的数据表明，CRISPR/Cas9 系统可有效产生用于功能分析的纯合突变体，但它在水稻中可能不如预期那么精确，并且在 CRISPR/Cas9 系统从实验室过渡到田间之前，必须进行几代早期准确的分子表征和筛选。版权所有 © 2020，作者。中国科学院遗传与发育生物学研究所和中国遗传学会。由爱思唯尔有限公司和科学出版社出版。这是一篇根据 CC BY-NC-ND 许可协议 ( http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ ) 开放获取的文章。