Page 77 - 《广西植物》2021年第10期
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ϟԡ 期 武 志 强 等 ᧥ 植物细胞器基因编辑研究进展 ϟ ᤃ ጢ Ꭾ
物线粒体基因组序列了解甚多ྉ ࣼᤦᆍ ᪲ શᔀऔᡷᆍႿᖔ
ԡԡऐଫႿᆍᆍᡱᖔ ԡϟሕɯᖔ但是由于缺乏稳定的线粒体
转化方法ᖔ对植物线粒体基因组详细和直接的分
子分析一直受到限制ᤥ 同时ᖔ不能将 ੫શዶ 递送到
线粒体ᖔ阻碍了线粒体 ᧕શዶྉ ቝᡷ᧕શዶɯ 的编辑ᤥ 因
此ᖔ迄今为止ᖔ对 ቝᡷ᧕શዶ 的操作仅限于通过设计核
酸酶对线粒体基因的靶向突变ᤥ
ᇺॹϓ ቂᔠᡙᅳ௴ዛᒦጛટ 与 ቂᔠᡙᅳዞ௴ዛᒦጛટ 介导的线粒体
基因编辑
ቝᔽᡷᆍఋዶᓂጶશ༁ 线粒体基因编辑技术是直接 在
线粒体ܦ叶绿体和细胞核内三种不同形态的橙色物质代表 ఋዶᓂጶશ༁ 的 શ 端加上一个线 粒体定位信号
ྉቝᔽᡷᆍዹၤᆍႿʛʢᔽᑕ ᡷᑕʢ੫ᔀᡷᔽႿ੫ ༁ᔽ੫Ⴟᑕᖔ ᥘఋ୩ɯᖔ用来对线粒体
三种不同类型的基因组ᤥ
ఋၤʢᔀᔀ ʛᔽᔀʢᔀႿᡷ ᆍʢቝ༁ ᆍ ᆍʢᑕႿ੫ᔀ ቝᑕᡷᔀʢᔽᑕ ᔽႿ ቝᔽᡷᆍዹၤᆍႿʛʢᔽᑕᖔ
基因组进行基因编辑ྉᑕझᑕቝᑕ ᔀᡷ ᑕᖔ ԡϟँɯᤥ 基于
ዹၤᆍʢᆍᡱᑕ༁ᡷ ᑕႿʛ ᡷၤᔀ Ⴟࣼዹᔀࣼ༁ ʢᔀᡱʢᔀ༁ᔀႿᡷ ᡷၤʢᔀᔀ ʛᔽᔀʢᔀႿᡷ ᡷᢃᡱᔀ༁ ᆍ
ఋዶᓂጶશ༁ 基因编辑的方法通常需要两个蛋白质ᖔ但
੫ᔀႿᆍቝᔀ༁
有研究者对 ఋዶᓂጶશ༁ 技术进行改进使得使用单一蛋
图 ϟজ 植物细胞中线粒体ܦ叶绿体和细胞核的结构模式图
白质成为可能ᖔ称为ᥥ ዹᆍቝᡱᑕዹᡷ ఋዶᓂጶશɼ ྉ ዹఋዶᓂጶશɯ
èᔽ੫ ϟজ ఋၤᔀ ༁ᡷʢࣼዹᡷࣼʢᑕ ᡱᑕᡷᡷᔀʢႿ ᆍ ቝᔽᡷᆍዹၤᆍႿʛʢᔽᑕᖔ ዹၤᆍʢᆍᡱᑕ༁ᡷ༁ᖔ
ྉᑕझᑕቝᑕ ᔀᡷ ᑕᖔ ԡϟँɯᤥ 在 ዹఋዶᓂጶશ 的 શ 端加了一
ᑕႿʛ Ⴟࣼዹᔀࣼ༁ ᔽႿ ᑕ ᡱᑕႿᡷ ዹᔀ
个线粒体定位信号得到 ቝᔽᡷᆍ᥋ዹఋዶᓂጶશᖔ可实现对线
粒体 ᧕શዶ 的编辑ᤥ ᧧᥋ఋᔀ᧧ ྉ ᥘࣼᔀᔀʢ ᔀᡷ ᑕᖔ ϟँँጢଫ
组也可以转移到细胞核基因组中ᖔ如拟南芥的细 ጶʛ੫ᔀ ᔀᡷ ᑕᖔ ԡԡ࿗ɯ 是 ᥈᧧ɟ᥋ɟ᧧᥈ 家族的归巢内切酶
胞核基因组中存在线粒体假基因ྉ Ⴟࣼዹᔀᑕʢ᥋ᔀႿዹᆍʛᔀʛ 成员ᖔ呈现出三部分蛋白布局ᤥ᧧᥋ఋᔀ᧧ 的 ऊ 端区域
ቝᔽᡷᆍዹၤᆍႿʛʢᔽᑕ ᧕શዶ ༁ᔀीࣼᔀႿዹᔀ༁ᖔ શВᥘఋ༁ ɯ 的现象 负责 ᧕શዶ 结合的特异性以及大部分蛋白质与 ᧕શዶ
ྉዶʢᔽቝࣼʢᑕ ᔀᡷ ᑕᖔ ԡԡɯᤥ 的相互作用亲和力ᖔ一种连接体连接并调节 શ 端催
ԣॹԣ 叶绿体基因组的结构和特点 化结构域ྉ᧕ᔀᑕႿ ᔀᡷ ᑕᖔ ԡԡɯᤥ 野生型 ᧧᥋ఋᔀ᧧ 的 શ
叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所ᤥ 细 端融合到 ఋዶᓂጶ 的 ᧕શዶ 结合骨架的 શ 端或 ऊ 端
胞中叶绿体基因组有多种构型ᖔ最常见的结构是 ྉ ାᔀࣼʢʛᔀᔀᢃ ᔀᡷ ᑕᖔ ԡϟሕɯᤥ 用 ఋዶᓂጶ᥋᪵શϟጢ ᣰ ᪵ऊԡ
双链环状结构ᖔ包括一个小的单拷贝区ྉ୩୩ऊɯ 和一 支架取代 ᧧᥋ఋᔀ᧧ 的 ऊ 端 ᧕શዶ 结合域ᖔ从而保留野生
个大的单拷贝区ྉᓂ୩ऊɯᖔ这两个区域被一对反向重 型 ᧧᥋ఋᔀ᧧ 的天然 શ᥋ऊ 端布局ᖔ 最 终 生成融合
复区域ྉ᧧ᑕᖔ ᧧ᤦɯ 分开ᖔ形成典型的四分体结构ᖔ ዹఋዶᓂጶશྉ图 ሕɯྉାᔀࣼʢʛᔀᔀᢃ ᔀᡷ ᑕᖔ ԡϟሕɯᤥ
其基因组大小变化范围为 ϟԡ ጲ ϟᤃԡ Ҵᤦྉ ̀ᆍႿ੫ ᔀᡷ 通过对靶基因靶点的选择设计合成 ఋዶᓂጶ 阵
ᑕᖔ ԡԡɯᤥ 与线粒体或细胞核基因组相比ᖔ植物 列ᖔ进而构建表达载体ᤥ 功能元件在细胞核中转
叶绿体基因组在结构ܦ基因数量和基因组成上具 录ܦ细胞质中翻译出 ᥘఋ୩᥋ఋዶᓂጶ᥋èᆍҴ᧧ 蛋白复合体ᖔ
有更高的保守性ᖔ进化速度相对适中ᖔ介于核基因 在线粒 体 导 肽 的 作 用下定位进入到线粒体中ᖔ
组和线粒体基因组之间ᖔ其自身缺少重组ᖔ有较小 ఋዶᓂጶ 中的 ᧕શዶ 结合结构域靶向目的基因ᖔèᆍҴ᧧
的基因组大小和高拷贝数ᤥ 鉴于之前已有很多关 核酸酶形成二聚体后对目的基因进行切割ᖔ主要
于叶绿体基因组的综述报道ᖔ这里就不做详细的 通过同源重组修复ᖔ修复过程中造成基因大片段
赘述ᤥ 缺失ᖔ最终导致基因破坏失去功能ᖔ达到基因敲除
的目的ᤥ
ሕজ 线粒体基因编辑研究进展 在植 物 中ᖔ 一种被称为细胞质雄性不育
ྉዹᢃᡷᆍᡱᑕ༁ቝᔽዹ ቝᑕᔀ ༁ᡷᔀʢᔽᔽᡷᢃᖔ ऊᥘ୩ɯ 的雄性不育系通
在陆生植物中ᖔ尽管细胞核基因组的编辑修 常表现为花粉败育和结实率为零ᖔ在农业上经常
饰已经取得了很大的进展ᖔ但是线粒体基因组的 被用于生产 èϟ 杂交种子ྉ ᑕझᑕቝᑕ ᔀᡷ ᑕᖔ ԡϟँɯᤥ
遗传转化仍然进展缓慢ྉᑕझᑕቝᑕ ᔀᡷ ᑕᖔ ԡϟँɯᤥ 从 一般来 说ᖔऊᥘ୩ 被 认 为 是由线粒体基因引起的
结构上来说ᖔ植物线粒体基因组比动物线粒体基 ྉ̀ᑕႿ༁ᆍႿ ᪲ ାᔀႿᡷᆍᔽᑕᖔ ԡԡ࿗ɯᤥ 敲除典型线粒体基
因 组更大ܦ 更复杂 ྉ ୩ቝᑕᖔ ԡϟሕଫ ᥈ࣼᑕᤦᔀʢᡷᆍ ᪲ 因可能是致命的或引起不利的表型变化ᖔ但敲除
શᔀऔᡷᆍႿᖔ ԡϟᎮɯᤥ 特别是在维管植物中ᖔ由于重复 ऊᥘ୩ 植物中的一个 ऊᥘ୩ 相关基因有望在不引起
序列之间的活跃重组ᖔ即使在同一种植物中线粒 其他表型变化的情况下恢复育性ྉ ᑕझᑕቝᑕ ᔀᡷ ᑕᖔ
体基因的顺序也会发生变化ᤥ 尽管人们对陆地植 ԡϟँɯᤥ ԡϟँ 年ᖔ日本东京大学的一个科研团队同
