Research advances on precise plant genome base replacement and its applications based on CRISPR-Cas system

对于植物功能基因组基础研究及种质创新应用实践而言，有效获得目的基因可靠突变体材料是后续工作能否顺利开展的关键要素，但天然突变体材料的发现、鉴定十分有限，且基于化学诱变、辐照诱变、T-DNA插入等人工突变体创制方法存在随机性强的缺陷，难以精准创制突变满足基础研究及育种应用的实际需求。自1996年起，研究者相继报道了ZFN（zinc finger nuclease）、TALEN（transcription activator-like effector nuclease）、CRISPR-Cas9（clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR-CRISPR associated protein 9）三种主要序列特异性核酸酶的DNA定向剪切活性，为基因组编辑技术在植物功能基因基础研究及种质资源定向遗传改良中的有效应用奠定了研究基础。由于集成了编辑效率高、可靠性优、识别位点多样、基因资源丰富、工具库拓展性强、操作简单易行等优势，CRISPR-Cas迅速成为相关研究中最主要的基因组编辑系统。历经二十余年的发展，基因组编辑技术已经从简单的基因敲除走向了复杂的碱基编辑。基于CRISPR-Cas系统，多样化碱基编辑工具被开发，成功实现了碱基的精准替换，为基因功能研究及种质创新提供了有效工具。本文综述了以同源重组及非同源末端连接、碱基编辑、引导编辑为代表的植物碱基替换技术发展现状及其在种质创新中的应用，并对后续植物碱基替换研究进行了展望和建议，以期为作物品种快速改良提供有益参考。