近日，中国农科院植保所抗病虫作物生态安全评价与利用创新团队在植物学著名期刊《植物生物技术》（Plant Biotechnology Journal）在线发表了题为《Developing glycosylase-based T-to-G and C-to-K base editors in rice》的研究论文，该研究开发了DNA糖基化酶介导的水稻胸腺嘧啶和胞嘧啶碱基编辑器（TGBEs和CKBEs，K=G/T），不仅丰富了水稻基因编辑工具箱，也为植物内源抗性基因的定向进化提供了全新的技术手段，进一步拓展了基因编辑在作物抗性育种中的应用潜力。
核苷酸变异，作为最主要的遗传变异方式，在控制作物遗传多样性和改良作物农艺性状方面发挥重要作用。近年来，DNA脱氨酶介导的碱基编辑技术已广泛用于基础研究和生物育种领域，其中胞嘧啶和腺嘌呤碱基编辑器能够实现高效的C>T和A>G精准替换，纠正缺陷型抗性基因和创造新型优良抗性等位基因，从而快速实现作物抗性遗传改良和种质创新。此外，基于鸟嘌呤DNA糖基化酶hMPGv6的水稻鸟嘌呤碱基编辑器也成功实现了G>T的编辑。然而，直接编辑胸腺嘧啶（T）仍是基因编辑领域的一个技术难题。
在该研究中，研究人员通过将DNA糖基化酶与SpCas9n融合，系统评估了多种人工进化的胸腺嘧啶DNA糖基化酶变体（TDG-EKΔ、TDG3Δ和gTBEv3）和胞嘧啶DNA糖基化酶变体（CDG4Δ和gCBEv2）在水稻中的碱基编辑活性。结果表明所有胸腺嘧啶DNA糖基化酶均成功实现了T>G替换，其中gTBEv3的编辑效率最高（12.50%~62.50%）。CDG4Δ和gCBEv2也实现了高效的C编辑活性，且主要实现C>G和C>T替换。除了碱基替换外，TGBEs和CKBEs工具还可诱导产生各种核苷酸插入和缺失（Indels）。基于DNA糖基化酶的水稻胸腺嘧啶碱基编辑技术填补了植物中四种碱基编辑技术开发中的最后一个空白。结合前期开发的水稻胞嘧啶碱基编辑、腺嘌呤碱基编辑和鸟嘌呤碱基编辑等技术，目前该团队建立了完整的水稻碱基编辑技术体系，为作物内源抗性基因精准改良和定向进化提供了强大的技术支撑，加速作物抗性遗传改良和种质创新。
中国农科院植保所博士后旷永洁和博士研究生吴雪梅为本文共同第一作者，任斌副研究员为本文通讯作者，中国农科院植保所周焕斌研究员、周雪平教授、严芳副研究员和长江大学马东方教授也参与了研究工作。该研究得到农业生物育种重大专项、国家自然科学基金、中国农业科学院科技创新工程和中国博士后科学基金等项目的支持。
图1 DNA糖基化酶介导的水稻胸腺嘧啶和胞嘧啶碱基编辑技术
