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JIPB | 安徽农业大学联合安徽省农科院提升植物Cas12-ABE碱基编辑系统效率

2026-03-05 05:30:58

碱基编辑 (BEs) 能够在不诱导双链断裂 (DSBs) 的情况下实现核苷酸碱基转换, 已成为作物遗传改良的重要工具。胞嘧啶碱基编辑器 (CBEs) 与腺嘌呤碱基编辑器 (ABEs) 为首批报道的BEs, 分别可实现C-to-T和A-to-G的转换, 后续经改造进一步拓展至出C-to-G、A-to-Y等更多核苷酸替换类型。目前多数植物碱基编辑系统以SpCas9为底盘融合脱氨酶构建, 近年来, Cas12系统因其独特的优势, 在植物基因组编辑中得到广泛应用。然而, 目前已开发的多种Cas12-BEs, 由于缺乏高效的切刻酶 (nickase) 变体, 其编辑效率往往不足以稳定产生双等位基因或纯合突变植株; 同时, Cas12系统的ABEs编辑效率远低于对应的CBEs, 这极大限制了Cas12-ABE编辑器的推广应用。因此, 对Cas12-ABE编辑器进行优化尤为重要。

近日, 安徽农业大学联合安徽省农业科学院在JIPB在线发表题为“Optimizations of Cas12a- and Cas12i-based adenine base editors for efficient precision editing in the plant genome”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.70177)。该研究揭示了通过融合高活性核酸酶变体与二聚化 TadA-8e, 能显著提升植物中LbCas12a-ABE和Cas12i3-ABE的碱基编辑效率。

研究首先在水稻愈伤组织中系统评估HyperLbCas12a、LbCas12a-RKA、eaLbCas12a、LbCas12a-RRV和LbCas12a Ultra等5种LbCas12a变体, 发现HyperLbCas12a的平均突变效率最高 (42.23%), 是ttLbCas12a等其他变体的1.29-2.39倍。将TadA-8e融合至催化失活的HyperLbCas12a (D832A) N端, 构建出HyperLb-TadA8e编辑器, 其A-to-G编辑效率虽有提升, 但受序列背景影响, 部分位点效率与对照差异不大 (图1A和B)。

生化分析表明, TadA-8e需以二聚体形式发挥功能, 而多数植物ABE仅含单个TadA-8e脱氨酶, 可能导致体内活性复合物浓度不足、导致编辑效率偏低。为此, 研究人员进一步构建了HyperLb-2×TadA8e (HyperLbCas12a融合二聚体TadA-8e) 编辑器。该编辑器在水稻愈伤组织中的A-to-G编辑效率达33.11% (为 HyperLb-TadA8e的 2.20倍), 在稳转植株中编辑效率达80.81%, 其中41.69%的株系为纯合或双等位基因编辑, 且未增加编辑副产物 (图1C和D)。

研究还将二聚化TadA-8e策略应用于Cas12i3系统, 基于Cas12i3的高效变体Cas-SF01构建了Cas-SF01-2×TadA8e编辑器, 其编辑效率为单体型的2.16倍, 编辑窗口位于第9-12位。在水稻再生植株中, 该编辑器在多个靶点的平均编辑频率为58.33%-79.17%, 纯合或双等位基因编辑平均频率为10.42% (图1E-G); 同时在大豆毛状根中也实现了高效的A-to-G转换, 证实了该系统的广泛适用性。

图1基于Cas12系统的高活性植物腺嘌呤碱基编辑器开发

综上, 该研究建立了一套优化植物Cas12-ABE编辑效率的通用策略, 为作物遗传育种提供了更多高效、精准的基因组编辑工具。

安徽农业大学农学院青年教师刘小双、硕士生金珊和已毕业硕士生肖志为改论文共同第一作者, 安徽农业大学魏鹏程教授与安徽省农科院水稻所李娟研究员为共同通讯作者。研究得到农业科技重大专项、安徽省科技重大专项、国家自然科学基金等项目的资助。

文章引用：

Liu, X., Jin, S., Xiao, Z., Ma, C., Wang, Q., Wang, H., Zhou, R., Gu, D., Xu, R., Qin, R., et al. (2026). Optimizations of Cas12a- and Cas12i-based adenine base editors for efficient precision editing in the plant genome. J. Integr. Plant Biol.https://doi.org/10.1111/jipb.70177

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