科学家利用CRISPR基因编辑技术培育更好的林木 以实现可持续纤维生产

科学家利用CRISPR基因编辑技术培育更好的林木以实现可持续纤维生产在北卡罗来纳州立大学CRISPR先驱RodolpheBarrangou和树木遗传学家JackWang的领导下，研究小组利用预测建模设定了降低杨树木质素水平、提高碳水化合物与木质素（C/L）比率以及增加两种重要木质素结构单元（丁香基和愈创木基（S/G））比率的目标。Barrangou和Wang说，这些综合化学特性代表了纤维生产的甜蜜点。北卡罗来纳州立大学食品、生物加工和营养科学ToddR.Klaenhammer特聘教授、该论文的共同通讯作者Barrangou说："我们正在利用CRISPR技术建造一个更具可持续性的森林。CRISPR系统提供了编辑单个基因或基因家族以外的更多基因的灵活性，使木材特性得到更大的改善。"CRISPR修饰的杨树（l）和野生杨树在北卡罗来纳州立大学的温室中生长。资料来源：北卡罗来纳州立大学杨振民研究小组利用机器学习模型预测并筛选了近7万种不同的基因编辑策略，这些策略针对21个与木质素生产相关的重要基因--有些策略一次改变多个基因。这一过程确定了347种策略；其中99%以上的策略至少针对三个基因。在此基础上，研究人员选出了七种最佳策略，这些策略的建模结果表明，这些策略将使树木达到化学甜点--木质素含量比野生或未经改造的树木低35%；C/L比比野生树木高200%以上；S/G比比野生树木也高200%以上；树木生长速度与野生树木相似。CRISPR修饰的木材（l）与野生型杨树木材（r）呈现红色根据这七种策略，研究人员利用CRISPR基因编辑技术培育出了174个杨树品系。在北卡罗来纳州立大学的温室中培育6个月后，对这些杨树的检测结果显示，一些品种的木质素含量降低了50%，而另一些品种的C-L比率则提高了228%。研究人员说，有趣的是，4至6个基因编辑的树木木质素减少更为显著，尽管3个基因编辑的树木木质素减少高达32%。单基因编辑根本无法大幅降低木质素含量，这表明利用CRISPR技术改变多基因可为纤维生产带来优势。该研究还包括复杂的纸浆生产厂模型，这些模型表明，降低树木中的木质素含量可提高纸浆产量并减少所谓的黑液（制浆的主要副产品）。这可帮助纸浆厂将可持续纤维的产量提高40%。如果在工业化生产中减少树木中的木质素并提高C/L和S/G比率，那么纤维生产中发现的效率可使纸浆生产中的温室气体排放量最多减少20%。林木是地球上最大的生物碳汇，对遏制气候变化至关重要。它们是我们生态系统和生物经济的支柱。在北卡罗来纳州，林业对当地经济的贡献超过350亿美元，并提供了约14万个工作岗位。北卡罗来纳州立大学助理教授兼森林生物技术组主任、该论文的共同通讯作者Wang说："当我们的自然资源日益受到气候变化的挑战并需要利用更少的土地生产更可持续的生物材料时，多重基因组编辑为提高森林的恢复力、生产力和利用率提供了一个绝佳的机会。"接下来的步骤包括继续进行温室测试，以观察基因编辑树木与野生树木相比的表现。随后，研究小组希望通过田间试验来衡量基因编辑树木是否能够承受受控温室环境之外的室外生活所带来的压力。迈向可持续发展的未来。研究人员强调了多学科合作的重要性，这项研究涵盖了北卡罗来纳州立大学的三个学院、多个系、北卡罗来纳州植物科学计划、北卡罗来纳州立大学分子教育、技术和研究创新中心（METRIC）以及合作大学。"结合遗传学、计算生物学、CRISPR工具和生物经济学的树木育种跨学科方法极大地扩展了我们对树木生长、发育和森林应用的认识，"论文第一作者、北卡罗来纳州立大学博士后学者DanielSulis说。"这种强大的方法改变了我们的能力，使我们能够揭开树木遗传学的复杂性，并推导出综合解决方案，从而改善生态和经济上重要的木材性状，同时减少纤维生产的碳足迹。"在北卡罗来纳州立大学植物科学和林业领域长期创新传统的基础上，Barrangou和Wang创建了一家名为TreeCo的创业公司，以推动CRISPR技术在林木中的应用。这项由北卡罗来纳州立大学教师领导的合作努力旨在将树木遗传学的洞察力与基因组编辑的力量相结合，培育出更健康、更可持续的未来。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1371397.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1371397.htm

比人类基因组更复杂 甘蔗基因组图谱的绘制标志着一个科学里程碑

比人类基因组更复杂甘蔗基因组图谱的绘制标志着一个科学里程碑现代杂交甘蔗简介现代杂交甘蔗是地球上收获最多的作物之一，用于制造糖、糖蜜、生物乙醇和生物基材料等产品。它也拥有最复杂的基因蓝图。迄今为止，甘蔗复杂的遗传学使其成为最后一种没有完整和高度精确基因组的主要作物。科学家们开发并结合多种技术，成功绘制出甘蔗的遗传密码图。有了这张地图，他们就能验证抗褐锈病的具体位置，这种褐锈病如果不加以控制，就会对糖料作物造成毁灭性打击。研究人员还可以利用基因序列更好地了解糖类生产中涉及的许多基因。甘蔗遗传研究进展这项研究是美国能源部联合基因组研究所（JGI）社区科学计划的一部分，JGI是能源部科学办公室在劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的用户设施。该研究于3月27日发表在《自然》杂志上，基因组可通过JGI的植物门户网站Phytozome获取。"这是我们迄今为止完成的最复杂的基因组序列，"JGI植物项目负责人、哈德逊阿尔法生物技术研究所（HudsonAlphaInstituteforBiotechnology）研究员杰里米-施穆茨（JeremySchmutz）说。"这表明我们已经取得了很大进展。这种事情在10年前人们认为是不可能的。我们现在能够实现我们认为在植物基因组学领域不可能实现的目标"。甘蔗的基因组之所以如此复杂，一方面是因为它体积庞大，另一方面是因为它比一般植物含有更多的染色体拷贝，这一特征被称为多倍体。甘蔗有大约100亿个碱基对（DNA的组成单位）；相比之下，人类基因组大约有30亿个碱基对。甘蔗DNA的许多片段在不同染色体内部和之间都是相同的。因此，在重建完整基因蓝图的同时，正确重组所有小段DNA是一项挑战。研究人员将多种基因测序技术结合起来，包括一种新开发的名为PacBioHiFi的测序方法，这种方法可以准确确定较长DNA片段的序列，从而解决了这一难题。了解和利用甘蔗基因组有了完整的"参考基因组"，研究甘蔗就更容易了，研究人员可以将甘蔗的基因和通路与其他研究得比较透彻的作物（如高粱或其他感兴趣的生物燃料作物，如开关草和马齿苋）的基因和通路进行比较。通过与其他作物进行比较，可以更容易地了解每个基因是如何影响相关性状的，例如哪些基因在制糖过程中高度表达，或者哪些基因对抗病性很重要。这项研究发现，负责抵抗棕色锈病的基因只存在于基因组的一个位置，而棕色锈病是一种真菌病原体，曾给甘蔗作物造成数百万美元的损失。这张图片显示的是基因排序图（使用GENESPACE创建），它比较了相关植物物种的基因组组装情况。水平白线代表染色体，连接染色体的彩色编织线表示保守的基因块。这样，研究人员就能将研究得比较透彻的作物（如双色高粱，一种特殊的高粱）中的保守基因追踪到更复杂的基因组中，如野生甘蔗和栽培品种R570，从而更好地了解它们的功能。为了形成对比，上一行提供了R570先前的单倍体组合，其中基因组中的多个染色体拷贝被表示为一个单一的马赛克组合。图片来源：AdamHealey和JohnLovell/HudsonAlpha论文第一作者、HudsonAlpha公司研究员亚当-希利（AdamHealey）说："当我们对基因组进行测序时，我们填补了围绕褐锈病的基因序列空白。甘蔗基因组中有数十万个基因，但只有两个基因共同发挥作用，保护植物免受病原体的侵害。据我们所知，在所有植物中，以类似方式进行保护的情况屈指可数。更好地了解甘蔗的这种抗病性是如何起作用的，有助于保护其他面临类似病原体的作物。"研究人员对一种名为R570的甘蔗栽培品种进行了研究，几十年来，该品种一直被世界各地用作了解甘蔗遗传学的模型。与所有现代甘蔗栽培品种一样，R570也是由甘蔗驯化品种（产糖能力强）和野生品种（携带抗病基因）杂交而成的。对农业和生物能源的潜在影响该论文的最后一位作者、法国国际发展农业研究中心（CIRAD）甘蔗研究员安热莉克-德洪（AngéliqueD'Hont）说："了解R570的完整遗传图谱将使研究人员能够追踪哪些基因来自哪个亲本，从而使育种人员能够更容易地确定控制相关性状的基因，以提高产量。"改良未来的甘蔗品种在农业和生物能源领域都有潜在的应用前景。改进甘蔗的产糖方式可以提高农民的作物产量，在相同的种植面积上提供更多的糖分。甘蔗是生产生物燃料（尤其是乙醇）和其他生物产品的重要原料或起始材料。甘蔗压榨后剩下的残渣被称为甘蔗渣，是一种重要的农业残渣，也可被分解和转化为生物燃料和生物产品。联合生物能源研究所是伯克利实验室领导的能源部生物能源研究中心，该研究所的首席科技官布雷克-西蒙斯（BlakeSimmons）说："我们正在努力了解植物中的特定基因与下游生物质质量的关系，然后我们可以将生物质转化为生物燃料和生物产品。""有了对甘蔗遗传学的深入了解，我们就能更好地理解和控制植物基因型，从而生产出我们所需的糖类和蔗渣衍生中间体，实现与生物经济相关的规模化可持续甘蔗转化技术"。到目前为止，甘蔗复杂的遗传学使其成为最后一种没有完整和高精度基因组的主要作物。研究人员结合多种技术，成功绘制出甘蔗的DNA图谱，并确定了关键区域--包括与糖的生产和运输以及对褐锈病的抗病性有关的几个区域。甘蔗的参考基因组可用于帮助培育抗逆性更强的作物或提高糖产量，并可应用于农业和生物能源领域。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425662.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425662.htm

CRISPR：受气候变化威胁的水稻作物的潜在"救星"

CRISPR：受气候变化威胁的水稻作物的潜在"救星"CRISPR(ClusteredRegularlyInterspacedShortPalindromicRepeats)是一种革命性的基因编辑工具，它使科学家能够非常容易和准确地对生物体的DNA进行精确改变。通过使用一种由小RNA分子引导的称为Cas9的酶，CRISPR实现了对特定基因的定位和修改，为医学、农业和生物技术等领域的研究和应用带来了新的可能性。巴西佩洛塔斯联邦大学的主要作者AntonioCostadeOliveira博士和一个科学家团队发现，CRISPR/Cas工具在与产量、对生物和非生物压力的耐受性以及稻谷质量有关的研究中的基因编辑很有效。一位科学家在中国研究水稻然而，该评论试图描述不同的基因编辑技术及其各自在水稻育种中的应用，认为CRISPR/Cas方法在育种计划中的影响取决于在田间大规模栽培编辑过的植物。科斯塔-德奥利维拉博士说："开发新的高产栽培品种对于确保全球粮食安全是必要的。尽管常规育种已经取得了巨大的进展，但生物技术工具，如转基因和基因组编辑，可以帮助满足未来的需求。基因编辑的特点是切割和修改目标基因。在基因组编辑技术中，CRISPR/Cas因其易于操作而被提出。旨在提高编辑效率的多种Cas蛋白、碱基编辑和质点编辑等变体也被提出。被编辑的植物也更容易被接受，因为它们是无转基因的"。该研究概述说，预计2050年的水稻消费量将比目前增加50%--这意味着需求量将高达11.25亿吨。但生物压力（疾病--病毒、细菌、真菌、线虫、害虫和杂草）的发生加上非生物压力（干旱、淹没、盐度、热、冷和重金属）是限制水稻生产的因素。科学家们说，气候变化也影响着这些压力的频率、强度和持续时间。因此，有必要开发具有抗压性和更高产量潜力的新水稻栽培品种，因为种植面积的扩大是有限的。CostadeOliveira博士补充说："例如，CRISPR/Cas9编辑的巨大潜力，通过沉默易感基因和插入抗性基因，帮助开发了对细菌、真菌和病毒的广谱抗性。在这个意义上，CRISPR/Cas9介导的基因组编辑使得在SWEET基因的三个启动子中引入突变成为可能，这些突变导致水稻品系对黄单胞菌pv.Oryzae具有广谱抗性"。研究人员最后指出，尽管到目前为止常规育种是决定性的，但为了满足未来的需求和面对水稻种植的挑战，仍有很长的路要走。CostadeOliveira博士说："通过基因组编辑改进的植物和常规育种在对环境和人类健康的风险方面是相似的，这些风险实际上是不存在的。因此，预计编辑过的植物除了满足需求外，在消费者中也有良好的接受度"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1348301.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1348301.htm

科学家发现首个有两套DNA的动物

科学家发现首个有两套DNA的动物黄疯蚁是一种臭名昭著的入侵物种，主要分布在东南亚和大洋洲，对无脊椎动物甚至一些小型哺乳动物构成威胁。在爪哇南部的澳大利亚圣诞岛，黄疯蚁捕杀了大量该地区特有的红蟹。关于黄疯蚁怪异生物学特征的第一个线索来自对其基因组中散布的遗传标记的研究。雄性黄疯蚁似乎携带了两个版本的遗传标记。这是一个令人困惑的特征，因为在大多数蚂蚁中，雄性蚂蚁是由未受精卵发育而来，因此只有一个基因组拷贝。一些蚂蚁物种偶尔会有“二倍体”雄性，即有两个基因组拷贝，但这些雄性通常是不育的。德国美茵茨大学进化生物学家HugoDarras指出，黄疯蚁的所有雄性都是二倍体，这真的很奇怪，似乎完全说不通。为了确定发生了什么，Darras团队分析了从东南亚收集的黄疯蚁单个细胞。他们发现，每个雄性细胞只包含蚂蚁基因组的一个拷贝，但这种基因组在细胞之间是不同的。有些细胞拥有存在于蚁后中的谱系，由“R”染色体定义，而其他细胞则携带不同基因组的一个单独拷贝，由“W”染色体定义。蚁后的细胞中有两个W基因组拷贝，而不育的雌性工蚁的每个细胞中都有每个谱系的一个拷贝。Darras团队发现，雄性的嵌合体在蚂蚁的种姓制度中起着至关重要的作用。所有蚁后的卵细胞都携带R基因组的一个拷贝。如果这个卵子被具有R基因组的精细胞受精，就会产生一个蚁后。然而，如果卵子被W精子受精，则有两种可能的结果：如果两个含有基因组的细胞核融合，就会形成二倍体工蚁；如果细胞核不融合，卵子就会发育成一个嵌合的雄性，一些细胞携带R基因，另一些细胞携带W基因。美国洛克菲勒大学生物学家DanielKronauer说：“就我们所知，这是一种无与伦比的生物学现象。”黄疯蚁的嵌合体可能有助于提高该物种逃避生态系统不利影响的能力。蚁后有专门的器官储存来自多个雄性的精子。这意味着一个单独储存R和W精子的蚁后可以建立一个新的蚁群。澳大利亚詹姆斯·库克大学生态学家LoriLach想知道，研究人员是否可以利用它们奇特的生物学特性阻止蚂蚁种群扩大。黄疯蚁...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1353973.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1353973.htm

科学家设计CRISPR噬菌体 - 可对细菌实施基因编辑的特殊病毒

科学家设计CRISPR噬菌体-可对细菌实施基因编辑的特殊病毒在自然界中，CRISPR最初是由细菌作为一种防御机制来对付捕食它们的病毒，但在新的研究中，研究人员扭转了局面。他们设计了猎杀细菌的病毒，基础来自于广为人知的噬菌体，特别设计的噬菌体可以针对某些菌株，向它们注入CRISPRDNA，对它们的基因组进行特定编辑。在实验室测试中，这些噬菌体--被命名为T7和lambda--负责向大肠杆菌传递基因，使细菌发出荧光，并改变它们对一种抗生素的抗性。果然，这些变化在细菌身上被看到了，表明它正在发挥作用。在下一个测试中，该团队使用λ噬菌体来运输所谓的胞嘧啶碱基编辑器。这种工具并不切断目标的DNA，而是改变序列中的一个字母，使特定的基因失去活性，使之成为一种更温和的细菌。该研究的主要作者MatthewNethery说："我们在这里使用碱基编辑器作为大肠杆菌中基因的一种可编程的开关。使用这样的系统，我们可以对基因组进行高度精确的单字母改变，而不会出现通常与CRISPR-Cas瞄准有关的双链DNA断裂。"最后的测试被设计为模拟一个更自然的环境，使用一个人造的生态系统（EcoFAB）。这涉及到在一个罐子里装上由沙子和石英组成的合成土壤、一些液体和三种不同类型的细菌，包括大肠杆菌。其目的是测试噬菌体在一个更真实的环境中追捕其目标的能力如何，以及它们是否能从其他物种中分离出大肠杆菌。当λ被引入EcoFAB时，它在编辑大肠杆菌方面取得了相当大的成功，研究小组报告说整个细菌群体的效率高达28%。研究人员说，随着进一步的工作，这种技术最终可以在土壤细菌的大规模基因编辑中找到用途，甚至可能在肠道微生物组中找到。该研究的通讯作者RodolpheBarrangou说："我们认为这是一种帮助微生物组的机制。我们可以对一个特定的细菌进行改变，而微生物组的其他部分仍然不受影响。这是一个可以在任何复杂的微生物群落中采用的概念证明，这可以转化为更好的植物健康和更好的胃肠道健康--对食品和健康具有重要意义的环境。"这项研究发表在《美国科学院院刊》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1332127.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1332127.htm

科学家发现 CRISPR-Cas 系统的潜在新功能

科学家发现CRISPR-Cas系统的潜在新功能研究小组最近在《自然-微生物学》（NatureMicrobiology）杂志上发表了他们的研究成果。亚历山大-普罗斯特博士图片来源：UDE/BettinaEngel-Albustin2020年，生物化学家埃马纽埃尔-夏彭蒂耶（EmmanuelleCharpentier）和詹妮弗-杜德娜（JenniferDoudna）因将CRISPR-Cas系统（或称"基因剪刀"）应用于基因工程的生物技术而获得诺贝尔奖。然而，这种基因工具的许多功能至今仍未被探索。例如，微生物能否利用它们来对抗寄生在它们身上的其他微生物？带着这个研究问题，亚历山大-普罗普斯特分析了地壳深处微生物的遗传物质。地球上70%以上的微生物都生活在深层生物圈中。如果我们想了解地球上的多样性，就值得深入研究，他解释道。这位微生物学家和他的团队一起分析了美国一个间歇泉从深海吐到地面的水，以及日本堀之部地下实验室的样本。研究小组重点研究了古细菌，它们作为宿主和寄生虫生活在生态系统中。这种微小的微生物在细胞大小上与细菌极为相似，但生理特性却大相径庭。他们的基因组分析结果提供了新的见解：宿主附近的寄生虫明显很少，而且宿主对寄生虫表现出遗传抗性。研究人员从微生物基因组中的基因剪刀中发现了其中的原因。"在进化过程中，古细菌吸收了寄生虫的DNA。如果带有相同DNA的寄生虫现在攻击生物体，外来遗传物质可能会被CRISPR系统识别并分解，"普罗普斯特解释道。这位微生物学家是分析环境样本中遗传物质的专家，他的实验室采用了最新的方法，如牛津纳米孔技术，该技术可以对遗传物质进行快速、全面的测序。为了排除他们只是遇到个别情况的可能性，研究人员将分析范围扩大到7000多个基因组，并观察到这种现象非常频繁。在未来的研究中，这一发现还将有助于区分有益的共生体和有害的寄生虫。如果存在CRISPR识别，那么该微生物就很有可能是寄生虫。这或许还将有助于今后更好地理解重要的新陈代谢过程，如生态系统中的碳流。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374597.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374597.htm