在世界上，日本科學(xué)家使用革命性的CRISPR或CRISPR / Cas9基因組編輯工具來(lái)改變觀賞植物的花色。筑波大學(xué)，國(guó)家農(nóng)業(yè)和食品研究組織(NARO)和日本橫濱市立大學(xué)的研究人員改變了日本傳統(tǒng)園林植物的花色，日本牽牛花(Ipomoea nil或Pharbitis nil)，從紫羅蘭色到白色通過(guò)破壞單個(gè)基因。該研究強(qiáng)調(diào)了CRISPR / Cas9系統(tǒng)在園藝植物中研究和操作基因的巨大潛力。
日本國(guó)家生物資源項(xiàng)目(NBRP)中的兩種傳統(tǒng)園藝模式植物之一被選為日本牽?；?，或Asagao。已經(jīng)對(duì)該植物進(jìn)行了廣泛的遺傳學(xué)研究，其基因組測(cè)序和DNA轉(zhuǎn)移方法已經(jīng)建立。此外，由于公眾對(duì)CRISPR / Cas9等基因技術(shù)的關(guān)注目前在日本是一個(gè)社會(huì)問(wèn)題，使用這種廣受歡迎且廣泛種植的植物的研究可能有助于教育公眾關(guān)于這一主題。
該研究小組針對(duì)一種基因，二氫黃酮醇-4-還原酶-B(DFR-B)，編碼花青素生物合成酶，負(fù)責(zé)植物莖，葉和花的顏色。另外兩個(gè)非常密切相關(guān)的基因(DFR-A和DRF-C)并排放置在DFR-B旁邊。因此，挑戰(zhàn)是在不改變其他基因的情況下，特異性和準(zhǔn)確地靶向DFR-B基因。使用CRISPR / Cas9系統(tǒng)，因?yàn)樗悄壳白罹_的基因編輯方法。
CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)/ Cas9系統(tǒng)基于細(xì)菌防御機(jī)制。它由兩個(gè)改變DNA序列的分子組成。Cas9是一種酶，可以在精確的位置切割兩條DNA鏈，從而可以添加或去除DNA。通過(guò)gRNA或引導(dǎo)RNA將Cas9引導(dǎo)至正確的位置，RNA是一小段RNA，其被設(shè)計(jì)為與靶DNA序列互補(bǔ)。Cas9在目標(biāo)位置切割兩條DNA鏈，從而可以去除和/或添加DNA。
正如2017年8月30日在Scientific Reports報(bào)道的那樣，選擇日本牽?；―FR-B基因中的短DNA序列作為CRISPR / Cas9系統(tǒng)的靶標(biāo)。該序列含有DFR-B基因產(chǎn)生的酶的活性位點(diǎn)。因此，破壞該序列應(yīng)該使酶失活，導(dǎo)致不含有色素花青素。使用植物細(xì)菌根瘤菌的DNA轉(zhuǎn)移能力將CRISPR / Cas9系統(tǒng)插入日本牽?；ㄖ参锏慕M織培養(yǎng)胚胎中。正如所料，DFR-B酶成功滅活，導(dǎo)致約75%的轉(zhuǎn)基因植物具有綠色莖和白色花。具有活性酶的未轉(zhuǎn)化植物具有紫羅蘭莖和花。在組織培養(yǎng)過(guò)程中很早就觀察到莖色的這些變化。一系列遺傳分析證實(shí)，DNA靶序列在轉(zhuǎn)基因植物中已被改變，在DFR-B基因的兩個(gè)拷貝中都有DNA插入或缺失(所謂的雙等位基因突變體)。檢查了其他相關(guān)基因DFR-A和DFR-C，未發(fā)現(xiàn)突變，證實(shí)了CRISPR / Cas9系統(tǒng)的高特異性。
接下來(lái)，研究人員通過(guò)分析下一代植物來(lái)檢測(cè)CRISPR / Cas9誘導(dǎo)突變的遺傳。這些植物看起來(lái)就像他們的父母。在這些植物中有一些沒(méi)有任何引入DNA的跡象。這引起了一些有關(guān)轉(zhuǎn)基因生物(GMOs)調(diào)控的有趣問(wèn)題，因?yàn)檫@些下一代植物被認(rèn)為是轉(zhuǎn)基因的，基于基于過(guò)程的定義(它們是如何制造的)，而非轉(zhuǎn)基因的，基于產(chǎn)品 - 基于定義(最終產(chǎn)品中存在外源DNA)。
該技術(shù)在確認(rèn)基因功能方面也非常有用。20世紀(jì)30年代和90年代的實(shí)驗(yàn)使用“前向”遺傳篩選技術(shù)來(lái)尋找在日本牽?；ㄖ挟a(chǎn)生花色的基因。這里描述的CRISPR / Cas9系統(tǒng)是'反向'遺傳方法，用于找出已知基因被破壞后生物體的樣子，并證實(shí)DFR-B基因是導(dǎo)致日本牽?；伾闹饕?。植物。
目前，CRISPR / Cas9技術(shù)不是100%有效，也就是說(shuō)，并非所有靶向植物都是轉(zhuǎn)基因植物。然而，本研究中75%的突變率相對(duì)較高。這是該研究將極大地促進(jìn)那些對(duì)使用CRISPR / Cas9系統(tǒng)在觀賞花卉或蔬菜中修飾花色和形狀感興趣的人的原因之一。
日本牽?；ǖ墓适率加诠?世紀(jì)，從中國(guó)引入了野生藍(lán)花植物到日本。1631年，第一個(gè)白花日本牽牛花在日本上漆。使用CRISPR / Cas9系統(tǒng)花費(fèi)不到一年的自然需要花費(fèi)近850年的時(shí)間，這表明它的功效和潛力。