옥수수와 수수의 효율적인 무작위 통합 및 표적화된 게놈 변형을 위한 잎 형질전환

Nov 12, 2023

Nature Plants 9권, 255~270페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

풀 종의 형질전환은 전통적으로 미성숙 배아에 의존해왔기 때문에 몇몇 주요 벼과 작물에만 국한되었습니다. 잎 조직을 포함한 다른 형질전환 외식편이 연구되었지만 성공률이 낮았으며 이는 작물 개선을 위한 게놈 편집의 광범위한 적용을 방해하는 주요 요인 중 하나입니다. 최근 형태유전자 Wuschel2(Wus2) 및 Babyboom(Bbm)을 사용한 잎 형질전환이 Cas9 매개 돌연변이 유발에 성공적으로 사용되었지만, 많은 수의 재생 식물을 스크리닝해야 하는 복잡한 게놈 편집 응용 프로그램은 여전히 ​​파악하기 어렵습니다. 여기서 우리는 강화된 Wus2/Bbm 발현이 옥수수와 수수의 잎 변형을 실질적으로 개선하여 Cas9 매개 유전자 탈락 및 표적 유전자 삽입이 있는 식물의 회복을 허용한다는 것을 입증합니다. 또한, 옥수수에 최적화된 Wus2/Bbm 구조를 사용하여 배아 발생 캘러스와 재생된 묘목이 4개의 풀 아과에 걸쳐 8종에서 성공적으로 생산되었으며, 이는 이것이 벼과 전체에 걸친 형질전환 및 게놈 편집을 위한 보편적인 가족 차원의 방법으로 이어질 수 있음을 시사합니다.

새로운 표현형을 지닌 식물의 유전적 변형과 재생은 초기 식물 생명공학의 획기적인 발전이었으며 식물 과학자들 사이에서 높은 기대를 불러일으켰습니다. 그러나 아그로박테리움 감염을 이용한 성공적인 니코티아나 타바쿰 형질전환에 대한 첫 번째 보고 직후1, 담배는 예외이며 주요 작물에서 이 기술의 잠재력을 활용하는 것이 불량한 형질전환 및/또는 재생으로 인해 방지될 수 있다는 것이 명백해졌습니다2. 다양한 식물 종에 대해 단계적 형질전환의 개선이 계속되었지만, 이들 중 다수의 경우 이 과정은 시험관 내 조작에 대한 반항으로 인해 제한되었습니다. 각 작물에 대한 형질전환 방법과 배양 시스템의 최상의 조합을 찾으려면 원형질체와 같은 단일 세포에서 다양한 외식편에 대한 평가가 필요합니다. 분열조직, 소순판 또는 자엽과 같은 배아 조직; 정단/겨드랑이 분열조직, 배축 또는 잎과 같은 묘목 유래 조직; 그리고 마지막으로 in planta 대안이 탄생했습니다.

CRISPR(규칙적으로 간격을 두고 배치된 짧은 회문 반복 반복)-Cas(CRISPR 관련) 뉴클레아제를 기반으로 한 게놈 편집 기술의 최근 개발은 개선되고 효율적인 변환 프로세스에 대한 필요성을 더욱 악화시킵니다3. RNA 유도 Cas 뉴클레아제는 게놈에서 표적화된 이중 가닥 파손을 생성하며, 이는 비상동성 말단 결합(NHEJ) 또는 상동성 지향 복구(HDR) 경로를 통해 복구됩니다. NHEJ는 불완전한 복구 경향이 있고 종종 작은 삽입이나 삭제를 초래하는 반면, HDR은 이중 가닥 절단 부위에 상동성 영역이 있는 기증자 DNA 주형을 제공하여 미리 정의된 변형을 도입하는 데 사용할 수 있습니다.

담배, 애기장대, 쌀에서 Cas9 매개 게놈 편집이 처음 보고된 이후 편집된 식물 종 목록은 계속해서 확장되었습니다4,5,6,7. 그러나 NHEJ 매개 돌연변이 유발 및 유전자 녹아웃은 이제 일반적인 관행이지만 다른 유형의 게놈 편집(예: HDR 매개 유전자 삽입, 대규모 삭제, 역위 및 전좌)은 훨씬 낮은 빈도로 발생하므로 많은 수의 식물이 필요합니다. 재생성되고 선별되어 원하는 수정 사항이 있는 항목을 찾습니다. 이러한 제한은 벼과의 대부분의 종(예: 인디카 벼, 옥수수, 밀, 보리, 수수 및 기장)에 해당되며, 여기서 형질전환 방법은 미성숙 배아에 의존하고 일반적으로 종 및/또는 유전자형에 매우 의존적입니다. 대규모 배포를 제한합니다. 또한 형질전환 체외 이식편으로 미성숙 배아를 연중 지속적으로 공급하려면 온실 인프라가 필요하므로 대부분의 학술 기관에서는 자원 및 비용이 많이 소요됩니다. 결과적으로 변환 서비스 시설이 필수가 되었습니다8. 따라서 재생 빈도가 높은 향상된 변환 프로세스는 이러한 복잡한 게놈 편집 응용 프로그램의 전제 조건이 됩니다9.