aBIOTECH | 万建民团队综述植物病毒载体在基因编辑元件递送中的应用

基因编辑技术的迅速发展为作物的精准改良和植物功能基因组学研究提供了有力的工具。然而，植物中基因编辑元件的递送仍面临诸多技术瓶颈，在一定程度上限制了植物基因编辑技术的广泛应用。这些技术难点包括：基于组织培养的遗传转化方法往往耗时费力、一些物种或品种的遗传转化效率低、用于精准编辑的DNA修复模板的递送拷贝数不足等。植物病毒具有向植物内递送DNA、RNA等生物大分子的天然能力。经过工程化改造的植物病毒载体可用于多种基因编辑元件的递送，以实现高效、快捷、多样化的植物基因编辑。

近日，南京农业大学万建民院士团队董小鸥教授课题组在aBIOTECH发表了题为“Exploiting viral vectors to deliver genome editing reagents in plants”的综述，总结了不同类型的植物病毒载体在基因编辑元件递送中应用场景，并讨论了该技术面临的挑战与机遇。

基于正链RNA病毒（PSV）的载体可以将融合特定移动序列的引导RNA（gRNA）递送至位于植物茎尖分生组织的生殖系细胞中，在不依赖组织培养的条件下直接实现可稳定遗传的基因编辑，从而大幅简化基因编辑的操作流程。然而，该类型病毒载体容量往往有限，难以容纳编码与Cas9体积相似蛋白的核酸序列。因此，基于PSV载体的递送策略通常依赖于使用稳定表达Cas9等核酸酶基因的受体植株（图1A）。相较之下，基于负链RNA病毒（NSV）的载体具有更大的序列容量，可同时递送Cas9和gRNA等基因编辑元件。然而，现存的NSV病毒载体尚无法在不历经组织培养的条件下对植物体内生殖系细胞进行直接编辑（图1B），仍存在优化的空间。

图1 利用正链RNA病毒（A）和负链RNA病毒（B）递送基因编辑元件

图 2 利用农杆菌介导的遗传转化（A），RNA正链病毒（B）或RNA负链病毒（C）向植物细胞内递送基因编辑元件

双生病毒（Geminiviruses）具有单链DNA基因组，其在细胞内进行滚环复制的过程中会形成双链DNA中间体。该特点使得双生病毒复制子（GVR）成为理想的DNA修复模板递送工具。利用GVR递送的DNA修复模板可以在受体植物细胞核内达到极高的拷贝数，从而显著提升基于DNA同源修复机制的精准、定向编辑（即基因靶向）的效率（图3B）。该方法与传统的基于基因枪的DNA修复模板递送方法（图3A）相比，具有脱靶率低、操作简便等优势。

图3 利用基因枪（A）或双生病毒复制子（B）递送高浓度的DNA修复模板

利用植物病毒载体递送基因编辑元件在简化操作流程、提高精准编辑效率、减少脱靶率等方面具有明显优势，国内外的研究人员已在该领域取得了里程碑式的进展。在未来的研究中，挖掘更广谱高效的病毒载体、提升病毒载体的容量，以及配套开发更小型的基因编辑元件（甚至仅依赖于RNA的基因编辑技术体系），将有望进一步释放病毒递送载体的应用潜力。与此同时，植物病毒载体的生物安全也应受到重视。通过移除或改造病毒衣壳相关基因、再生植株脱毒等手段，可有效防止植物病毒载体的生物逃逸。

南京农业大学硕士研究生沈怡琳为该论文第一作者，万建民院士和董小鸥教授为共同通讯作者。该工作得到了海南省种业实验室、江苏省自然科学基金、江苏省农业科技自主创新资金、生物育种钟山实验室等项目的资助。

引用本文：Shen, Y., Ye, T., Li, Z. et al. Exploiting viral vectors to deliver genome editing reagents in plants. aBIOTECH (2024). https://doi.org/10.1007/s42994-024-00147-7

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