植物高效小分子诱导的CRISPRi技术体系的建立及其在必需基因功能研究中的应用

Essential genes are required for normal plant growth and development, and loss-of-function mutation of essential genes will lead plant to die. Many essential genes have been identified through isolating embryonic-lethal and gametophytic-lethal mutants. The expression patterns of most of these genes suggest that they also play important roles later in development but, because the mutants die at very early stages, conventional methods limit the study of their roles in adult diploid plants. Therefore, a highly efficient approach is in great need for studying essential gene functions comprehensively. This project will develop a plant small molecule induced genome editing system by integrating small molecule induced protein expression technique-RDDK-Shield and CRISPRi technique; and apply it to study the post-embryonic roles of AtCDC5, an essential gene in Arabidopsis. This new system will not only advance the plant genome editing techniques, but also accelerate the comprehensive study of plant essential genes and provide novel insights into their biological significance.

必需基因对于植物正常生长发育不可或缺，一旦发生功能缺失突变将引起植物体死亡。长期以来，在植物中通过分离胚胎致死和配子体致死突变体已经鉴定出许多必需基因，并且其中多数基因在胚后时期也有表达，但是由于其突变造成植物在发育早期就会死亡，很难通过常规的手段研究其胚后的生物学功能。因此，急需建立一个高效的，能够全面研究必需基因生物学功能的技术体系。本项目拟融合小分子依赖的蛋白表达调控技术RDDK-Shield1和CRISPRi技术建立植物小分子诱导的CRISPRi系统，并将其应用于拟南芥必需基因AtCDC5的胚后生物学功能的研究。该系统将推进植物基因组编辑技术的进步，并大大加快全面研究植物必需基因功能的步伐，对其生物学意义提供新的启示。

必需基因是生物在特定的环境下对于生长和繁殖后代必不可少的基因。必需基因的功能缺失将导致生物体的死亡或繁殖缺陷。在模式植物拟南芥中通过正向遗传筛选已经筛选了大量的必需基因。尽管通过基因表达分析发现必需基因在胚后时期也有表达，但由于必需基因缺失突变体通常呈现胚胎或配子体致死的表型，难以通过常规的技术全面研究其功能。为了研究必需基因的胚后生物学功能，本项目充分利用我们前期开发的植物小分子诱导的蛋白表达调控技术RDDK-Shield1，与近年来发展起来的CRISPRi技术相结合，建立了小分子诱导的CRISPRi系统。该系统具有高效、快速、可逆的抑制靶基因转录水平的特点。我们利用该系统研究了拟南芥必需基因AtCDC5胚后发育的功能。本项目开发的小分子诱导的CRISPRi系统为植物必需基因的研究提供了一种重要的研究工具，未来的研究将拓展该系统在其他方面的应用。