引导编辑(Prime Editing,PE)作为精准基因编辑的“王牌技术”,能实现单碱基替换、小片段插入/缺失,在哺乳动物细胞和单子叶作物中已广泛应用,但在双子叶植物的精准编辑效率远落后于水稻、玉米等单子叶作物。尽管已广泛尝试常规优化策略,但PE在双子叶植物中的编辑效率仍然极低,导致大多数物种目前仍难以利用PE技术进行育种。
2025年12月4日,广州大学关跃峰团队在Nature Communications发表A flanking-nicks prime editor (FLICK-PE) system to boost prime editing in dicots的研究论文,开发FLICK-PE的新型引导编辑技术,在大豆和烟草中实现高效引导编辑。
研究团队发现,传统PE2技术虽经常规优化可一定程度提高效率,但在大豆中的编辑效率仍非常低下(不足5%),且难以稳定遗传。而在非编辑DNA链增加一个nicking sgRNA的PE3系统,可显著提高大豆中的PE效率。研究团队基于这一发现,在PE3的基础之上融合了第二个nicking sgRNA(两个非编辑链的nicking sgRNAs分别位于靶位点处的上游和下游),开发了FLICK-PE(Flanking-nickPrimeEditor)新型PE系统。大豆中FLICK-PE平均编辑效率比PE2提升15.7倍,比PE3提升2.2倍,最高可达35.8倍。而稳定转化大豆的有效编辑效率也可达11.1%-21.1%,成功获得纯合编辑大豆植株。在烟草中,FLICK-PE在瞬时转化效率比PE2提升8.15倍,比PE3提升1.49倍,最高达15.27倍。稳定转化编辑效率达19.4%,成功实现ALS1基因的精准编辑。研究还发现,MLH1-RNAi通过抑制MMR能显著提升PE2/PE3的效率,但对FLICK-PE则未表现增益效应。因此,FLICK-PE可能通过在PE3基础上融合双切口sgRNA,减弱了MMR,使精准编辑产物被修复的概率降低。这与MLH1-RNAi的机制有共通之处。
图1 FLICK-PE新型引导编辑系统
研究团队进而用FLICK-PE系统精准编辑大豆EPSPS1a基因,引入TAP-IVS三重氨基酸突变,高效培育出可稳定遗传的基因编辑抗草甘膦大豆新种质,其主要农艺性状与野生型大豆无明显差异,但可耐受2倍工作浓度的草甘膦。
图2 FLICK-PE新型引导编辑系统编辑效率统计图
总之,FLICK-PE新型引导编辑技术的开发,在大豆中首次实现了PE系统的建立,也首次创制了基因编辑抗草甘膦大豆。该技术在其他双子叶植物中(如烟草)同样有效,为解决双子叶植物引导编辑效率低下提供了全新的策略,助力更多作物进入精准育种新时代。
图3 FLICK-PE新型引导编辑系统创制抗草甘膦大豆表型图
广州大学关跃峰教授为本论文的通讯作者,广州大学博士后柏梦焱、广州大学硕士生张洁萍、中国农业大学/广州大学联合培养博士生林文鑫为共同第一作者。这项工作得到了中国国家重点研发计划、博士后创新人才支持计划和生物育种-国家科技重大专项等项目资助。
https://www.nature.com/articles/s41467-025-67046-3
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