植物CRISPR筛选文库
精准编辑作物基因组，加速功能基因挖掘与分子育种
产品概述
植物CRISPR筛选文库技术将CRISPR-Cas9基因编辑系统应用于植物功能基因组学研究。通过构建覆盖全基因组的高通量sgRNA文库，实现大规模基因敲除和表型筛选，加速重要农艺性状相关基因的挖掘。
舒桐生物提供覆盖水稻、拟南芥等模式植物和主要作物的全基因组sgRNA文库设计、遗传转化和功能筛选一站式解决方案。
什么是植物CRISPR筛选文库？
植物CRISPR筛选文库是基于CRISPR-Cas9系统的高通量基因编辑工具，其工作原理如下：
sgRNA文库构建：针对全基因组基因设计高效sgRNA，每个基因3-5条，构建覆盖全基因组的高通量sgRNA文库
遗传转化：通过农杆菌介导的T-DNA转移，将Cas9和sgRNA表达盒导入植物愈伤组织
基因编辑：Cas9-sgRNA复合物在植物细胞核内识别目标DNA序列（PAM: NGG），产生双链断裂（DSB）
突变体获得：通过非同源末端连接（NHEJ）修复产生Indel突变，实现基因功能丧失
核心技术原理
1. 植物sgRNA文库设计
针对植物基因组特征优化sgRNA设计，考虑GC含量、脱靶效应和染色体位置等因素。每个基因设计3-5条高效sgRNA，确保全基因组覆盖。
2. 农杆菌介导遗传转化
通过农杆菌介导的愈伤组织侵染法，将Cas9-sgRNA表达载体导入植物细胞，经再生培养获得稳定遗传的突变体植株。
3. 无转基因编辑技术
利用病毒递送紧凑型CRISPR系统（如ISYmu1），可在不产生转基因残留的情况下实现高效基因编辑，获得可直接用于育种的编辑植株。
舒桐一站式服务优势
全流程覆盖：从文库设计、载体构建、遗传转化到突变体鉴定，提供端到端的完整解决方案
多物种平台：已建立水稻、拟南芥、玉米、大豆等多种作物的成熟转化体系
质量保证：每批转化经过严格质检，确保编辑效率和突变体纯度
五大核心竞争力
全基因组覆盖：覆盖>95%的基因
高通量筛选：单次可处理>10,000个事件
多物种适用：支持10+作物物种
无转基因残留：病毒递送紧凑型系统
可稳定遗传：突变可稳定遗传至后代
应用场景
抗逆育种：抗旱、耐盐、抗病基因功能验证
产量改良：穗数、粒重、株型相关基因挖掘
品质提升：营养成分、口感、贮藏品质改良
功能基因组学：基因家族功能解析、调控网络构建
分子育种：候选基因验证、分子标记开发
合成生物学：代谢通路改造、生物强化
文献案例分享
Nature Plants 2023 — Multi-Knock: 全基因组规模CRISPR工具箱克服植物基因功能冗余
文献信息 | Hu, Y., Patra, P., Pisanty, O., Shafir, A., Belew, Z.M., Binenbaum, J., Ben Yaakov, S., Shi, B., Charrier, L., Hyams, G., Zhang, Y., Trabulsky, M., Caldararu, O., Weiss, D., Crocoll, C., Avni, A., Vernoux, T., Geisler, M., Nour-Eldin, H.H., Mayrose, I., & Shani, E. (2023). Multi-Knock—a multi-targeted genome-scale CRISPR toolbox to overcome functional redundancy in plants. Nature Plants, 9(4), 572-587. |
图1. Multi-Knock全基因组规模CRISPR筛选工作流程
研究背景
植物基因组的一个显著特征是大规模且复杂的基因家族，这些基因家族成员之间往往具有相似或部分重叠的功能。这种遗传冗余严重阻碍了新表型的发现，拖延了基础遗传研究和育种进程。据统计，平均64.5%的植物基因属于旁系同源基因家族。传统CRISPR-Cas9单基因敲除策略难以揭示被功能冗余掩盖的表型变异。
技术方案
研究团队开发了Multi-Knock，一种结合正向遗传学与动态靶向全基因组CRISPR-Cas9工具的新型遗传学方法。该方法的核心策略包括：
• 大规模多重靶向sgRNA设计：利用CRISPys算法和系统发育重建策略，计算设计了59,129条最优sgRNA，每条sgRNA同时靶向基因家族内2-10个成员
• 全基因组覆盖：59,129条sgRNA共靶向16,152个基因，覆盖约74%的所有蛋白编码基因家族成员
• 功能子文库划分：将全基因组文库划分为10个功能子文库（转运蛋白TRP、蛋白激酶PKR、转录因子TFB等），实现灵活定向的遗传筛选
• 概念验证筛选：以转运蛋白子文库为例，5,635条sgRNA靶向1,123个转运蛋白基因，生成3,500多个独立拟南芥株系进行正向遗传筛选
关键发现
• 方法验证：转运蛋白组筛选成功恢复了多个已知表型，证明了Multi-Knock方法的有效性
• 新基因发现：鉴定出一个由三个此前未研究基因组成的同源亚家族——PUP7、PUP21和PUP8
• 功能差异化：发现PUP8定位于质膜，而PUP7和PUP21定位于液泡膜，三者均为细胞分裂素转运蛋白
• 表型揭示：这三个转运蛋白共同调控分生组织大小、叶序模式和植株生长，揭示了该亚家族内部复杂的功能冗余活性
应用意义
Multi-Knock为植物功能基因组学研究提供了强大的全基因组筛选工具。通过克服遗传冗余问题，该方法能够系统性地揭示被隐藏的植物基因功能，加速作物重要性状相关基因的发现。其灵活的子文库设计策略使科学家和育种家能够针对特定功能基因家族进行定向筛选，为基础研究和分子育种提供重要技术支撑。
技术优势总结
植物CRISPR筛选文库以其高通量、精准编辑、可稳定遗传和无转基因残留等独特优势，正在加速作物功能基因组学研究和分子育种进程。
为什么选择舒桐？
丰富的物种经验：已完成水稻、拟南芥、玉米等10+物种的CRISPR文库项目
高效的转化体系：水稻转化效率>70%，突变体获得周期缩短至6个月
完善的服务体系：从文库设计到突变体鉴定的一站式服务
专业的技术支持：植物分子生物学专家团队，7x24小时技术咨询
严格的质量控制：每批文库经过测序验证，确保sgRNA覆盖度和均一性
参考文献
1. Weiss, T., et al. (2025). Viral delivery of an RNA-guided genome editor for transgene-free germline editing in Arabidopsis. Nature Plants. doi: 10.1038/s41477-025-01968-4
2. Lu, Y., et al. (2017). Genome-wide targeted mutagenesis in rice using the CRISPR/Cas9 system. Molecular Plant, 10(9), 1242-1245.
3. Zhu, H., Li, C., & Gao, C. (2020). Applications of CRISPR-Cas in agriculture and plant biotechnology. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 21(11), 661-677.
4. Meng, D., et al. (2017). Genomic editing of intronic enhancers unveils their role in fine-tuning tissue-specific gene expression in Arabidopsis thaliana. Nature Biotechnology, 35(3), 225-230.
