科学家使用CRISPR技术来改变花的颜色

日本科学家已经开始使用了CRISPR / Cas9基因编辑工具改变观赏植物花朵的颜色。

来自美国国家农业和食品研究组织(NARO)和日本横滨市大学的研究人员改变了日本传统园林植物的花朵颜色，日本牵牛花(Ipomoea nil或Pharbitis nil)通过改变单个基因后花朵从紫色变白色，这项研究突出了CRISPR / Cas9系统在园艺植物中研究和操纵基因的巨大潜力。

日本的牵牛花（在当地被称为Asagao）被选为这项研究的对象，因为它是日本国家生物资源项目(NBRP)中的两个传统园艺模型植物之一，而且对该植物已进行了广泛的基因研究，并建立了基因组测序和DNA转移方法。此外由于公众对诸如CRISPR / Cas9等基因技术的关注是日本目前的一个社会问题，使用这种广受欢迎和广泛种植的植物研究可能有助于教育公众了解这方面的知识。

研究小组针对的是一种单一基因二氢黄酮醇4-还原酶基因(drf-b)，其负责植物茎、叶和花的颜色。与另外两种密切相关的基因(dfr-a和drf-c)并列。因此，挑战在于明确并准确地定位dfr-b基因，而不改变其他基因。CRISPR / Cas9系统是目前最精确的基因编辑方法。

CRISPR / Cas9系统基于一种细菌防御机制。它由两个改变DNA序列的分子组成。Cas9能精确的切割DNA，这样DNA就可以被添加或移除。Cas9被gRNA引导到正确的位置，或者引导RNA，这是一种被设计成与目标DNA序列相辅相成的一小段RNA。

正如科学报道所报道的那样，在日本牵牛花的dfr - b基因中，一个短的DNA序列被选为CRISPR / Cas9系统的目标。这个序列包含了由dfr - b基因产生的酶活性位点。因此，这一序列的破坏会使酶失去活性，导致花青素缺乏。CRISPR / Cas9系统被植入日本牵牛花的组织培养的胚胎中，利用植物细菌根瘤菌的dna转移能力。不出所料，dfr - b酶被成功灭活，导致约75%的转基因植物有绿茎和白花。具有活性酶的非转化植物有紫色茎和花。在组织培养过程中，这些干细胞的变化在早期就被观察到。

一系列的基因分析证实了转基因植株中DNA的目标序列已经发生了改变，DNA插入或缺失都在dfr - b基因的两个副本中(所谓的双等位基因突变体)。其他相关的基因dfra和dfr - c检测，没有发现突变，证实CRISPR / Cas9系统的高特异性。

接下来，研究人员通过分析下一代的植物来研究CRISPR / cas9诱导突变的遗传。这些植物看起来和他们的父母一模一样。这些植物中有一些没有DNA导入的迹象。这就引出了一些关于转基因生物定义的有趣问题，基于过程的定义(它们是如何被制造出来的)，这些新一代植物被认为是转基因的，以最终产品中存在外源DNA的定义，这被认为是非转基因的。

这项技术在确认基因功能方面也非常有用。20世纪30年代和90年代的实验采用“正向”基因筛选技术找到了在日本牵牛花中负责花色生产的基因。这里描述的CRISPR / Cas9系统是一种“反向”的基因方法，用来发现在已知的基因被破坏后生物体的样子，并确认dfr - b基因是日本牵牛花植物颜色的主要基因。

目前，CRISPR / Cas9技术的不是100%有效的，这项研究中的突变率是75%，相对较高。这是这项研究能极大地促进那些对观赏花卉或蔬菜中修改花卉颜色和形状感兴趣的原因之一。

日本牵牛花始于公元8世纪，是从中国传入日本的野生蓝花植物。自17世纪以来已成为日本传统的花卉栽培植物。作为学校课程的一部分，大多数日本小学生都在种植它。1631年，日本的第一个白花日式牵牛花出现，CRISPR / Cas9系统做到了大自然用将近850年时间做的一件事，既显示了它的力量，也表明了它的潜力。