高效便捷的基因组操纵技术可推动病原菌致病机理的研究。水稻是世界上主要的粮食作物，由水稻白叶枯菌（Xanthomonas oryzae pv. oryzae，Xoo）引起的水稻白叶枯病是威胁水稻生产的主要病害之一。近日，中国科学院微生物研究所的邱金龙团队利用水稻白叶枯菌内源CRISPR-Cas系统，建立了高效的基因组编辑方法，实现了对白叶枯菌的精准遗传修饰，相关研究成果以“Highly efficient genome editing in Xanthomonas oryzae pv. oryzae through repurposing the endogenous type I-C CRISPR-Cas system”发表在Molecular Plant Pathology杂志上。
水稻白叶枯菌基因组中存在唯一一个CRISPR-Cas系统，根据其特征它属于I-C型。RNA-Seq的实验数据证实该CRISPR-Cas系统重要组分的编码基因在白叶枯菌中被转录，表明其可能具有生物学功能。
通过生物信息分析并结合质粒干扰实验，研究人员鉴定了该CRISPR-Cas系统识别的PAM（protospacer adjacent motif）为5’-TTN-3’和5’-CTC-3’。他们利用设计靶向目的基因的向导RNA及同时提供修复模板DNA，此内源CRISPR系统可实现基因编辑，然而效率较低，很大程度是由于水稻白叶枯菌自身的同源重组效率低下。
为进一步提高编辑效率，研究人员引入了外源λ-Red重组系统，从而获得了高效的多种基因组编辑，包括基因敲除、基因插入、碱基替换和基因替换。更为重要的是，基于Cas3核酸酶单向持续性降解DNA的特点，研究人员利用该内源CRISPR-Cas系统可在白叶枯菌基因组上实现长达212 kb的大片段删除。这一高效的基因组编辑方法可助力以水稻-白叶枯菌为模式系统的植物免疫研究。 此外，基于内源CRISPR-Cas系统的基因组编辑不需要递送多个编辑元件，极大简化了基因编辑的流程和难度。因此，该策略也应同样适用于其他含有内源CRISPR-Cas系统的植物病原细菌，从而推动不同病原菌的功能基因组学研究。
邱金龙研究组的博士研究生姜丹丹、博士后张丹丹和助理研究员李盛楠为该文章的共同第一作者，邱金龙研究员为通讯作者。此项研究得到了中国科学院战略先导性专项、中国科学院大学生物互作卓越中心和国家自然科学基金等项目经费的资助。
图. 基于内源CRISPR-Cas系统实现高效的水稻白叶枯菌的基因组编辑
文章链接：https://doi.org/10.1111/mpp.13178
