2020年5月25日，Nature Plants雜志在線發(fā)表了來自德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）Holger Puchta課題組題為“RISPR–Cas9-mediated induction of heritable chromosomal translocations in Arabidopsis”的研究論文。

該研究首次在擬南芥中通過CRISPR-Cas9技術(shù)實現(xiàn)重組植物染色體的目的！

眾所周知，CRISPR-Cas9系統(tǒng)可定向誘導(dǎo)特定位點的雙鏈斷裂（DSBs），并可用于基礎(chǔ)研究以及農(nóng)業(yè)性狀的產(chǎn)生和改善。而在包括植物在內(nèi)的多細胞真核生物中，DSB的修復(fù)主要通過兩種途徑介導(dǎo)，即非同源末端連接（NHEJ）和同源重組。通過NHEJ連接無關(guān)的斷裂末端，一次誘導(dǎo)多個DSB會可以實現(xiàn)染色體的重排。此外，在異源染色體上同時誘導(dǎo)兩個DSB可能導(dǎo)致相互易位的形成。

該研究通過SaCas9-Cas9系統(tǒng)在擬南芥的1號染色體（Chr1）和Chr2上誘導(dǎo)了兩個DSB（TL1-2），其目標(biāo)位點被設(shè)計為在基因間區(qū)域，距離Chr1和Chr2的長染色體臂末端0.5Mbp（見下圖a）。并對易位頻率進行定量測量，結(jié)果顯示在TL1-2的兩個連接處檢測到大約0.01%的易位頻率，表明通過使用CRISPR-Cas9確實可以實現(xiàn)相互的染色體臂交換。此外，該研究還表明連接位點沒有核苷酸丟失，說明是經(jīng)典NHEJ途徑負責(zé)染色體易位形成。但是在確實經(jīng)典NHEJ途徑突變體中，易位頻率的效率反而提高了約五倍，但是連接處有核苷酸的缺失和插入（如下圖）。

此后，該研究通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)卵細胞（EC）特異性啟動子表達SaCas9的轉(zhuǎn)化，然后選擇初級轉(zhuǎn)化陽性苗。通過在T1植物的卵細胞中誘導(dǎo)了易位事件，并篩選了各自植物的后代中新形成的交界處。然后通過基于PCR的篩選檢查陽性池中的單個植物的重組體。然后繁殖攜帶相互易位的植物，并在下一代中鑒定出易位純合的植物（見下圖）。進一步通過使用分子和細胞學(xué)分析，證實了擬南芥的染色體1和2之間以及染色體1和5之間獲得了染色體臂交換。

綜述所述，該研究建立了一種產(chǎn)生可遺傳的靶向易位的方法，表明今后可以能夠使用CRISPR–Cas9技術(shù)進行植物的基因編輯和染色體工程設(shè)計，并在農(nóng)作物中建立類似的系統(tǒng)，供育種者誘導(dǎo)相互易位。而且也有可能模擬植物基因組進化過程中發(fā)生的染色體重排。