Crop genes modified using CRISPR/Cas system

A. M. Korotkova, S. V. Gerasimova, V. K. Shumny, E. K. Khlestkina
2017 Vavilovskij Žurnal Genetiki i Selekcii  
The CRISPR/Cas system is the most promising among genome editing tools. It can provide the development of modified nontransgenic plants with the possibility of simultaneous multiple targeted mutations. The purpose of this review is to analyze published papers describing the utilization of the CRISPR/Cas system for crop gene modification in order to assess the potential of this technology as a new plant breeding technique. The search for "CRISPR & crop name" within article titles, abstracts and
more » ... eywords in the Scopus database was carried out for 45 crops. Among a total of 206 search results, only 88 have been recognized as original articles describing editing crop genes with the CRISPR/Cas system. A total of 145 target genes of 15 crops are described in these 88 articles, including rice with the largest number of genes modified (78 genes). In these studies, the ability to get transgene-free modified plants was widely demonstrated. However, in most cases research was aimed at the approbation of the technology or was to elucidate target gene function, while modification of just 37 target genes was related with crop improvement. We present here a catalogue of these genes. In most of these cases, modifications resulted in knockout of the genes such as negative growth and development regulators or negative regulators of plant resistance. In most cases, the phenotype of modified plants was assessed, and the presence of desired changes was shown. However, since the estimated number of "negative regulators" is limited in plant genomes, the CRISPR-directed gene knockout has a restricted potential for crop improvement. Intensive application of the CRISPR/Cas system for more complicate modifications such as replacement of defect alleles by functional ones or insertion of a desired gene is required (so far reports about such modifications are very rare in crops). In addition, to provide a basis for broad practical application of CRISPR/Cas-based genome editing, more cultivars of crop species should be involved in ongoing studies. Just a few genotypes of crop species have been used for gene modifications thus far. Nevertheless, in spite of the restrictions mentioned, essential success has Система CRISPR/Cas -один из самых перспективных способов геномного редактирования. Этот доступный метод позволяет получать нетрансгенные растения с заданными модификациями, причем можно одновременно производить мутации в нескольких мишенях. Цель настоящего обзора -анализ опубликованных работ, в которых система CRISPR/Cas использована для модификации генов сельскохозяйственных растений, с тем чтобы оценить потенциал этой технологии как нового метода селекции растений. Для 45 сельскохозяйственных культур проведен поиск по сочетанию ключевого слова CRISPR с названием культуры (поиск осуществлялся в названиях, аннотациях и ключевых словах статей из журналов, индексируемых в базе данных Scopus). Среди 206 результатов поиска только 88 содержали описание экспериментальных работ, в которых использована система CRISPR/Cas. В этих работах описаны 145 генов-мишеней у 15 сельскохозяйственных культур, включая рис, у которого модифицировано наибольшее число генов -78. Возможность получения модифицированных нетрансгенных растений продемонстрирована в большинстве работ. Однако в основном исследования были нацелены на апробацию метода или на изучение функций целевых генов, и лишь редактирование 37 генов связано с улучшением свойств растений. В обзоре представлена таблица-каталог данных генов. Основной используемый вариант модификации -нокаут генов, преимущественно негативных регуляторов роста и развития растений или факторов, определяющих чувствительность к патогенам. В большинстве случаев проверен фенотип модифицированных растений и показано наличие заданных изменений признаков. Однако ввиду того, что негативные регуляторы -это ограниченная группа генов растений, можно предположить, что CRISPR/Cas-направленный нокаут как способ улучшения сельскохозяйственных культур имеет определенные рамки. В связи с этим целесообразно расширение апробации CRISPR/Cas для получения более сложных модификаций в геномах культурных растений, таких как замена дефектных аллелей функциональными или вставка в геном целевых генов (в настоящее время для улучшения свойств сельскохозяйственных растений известны лишь единичные примеры таких модификаций). Другое важное условие для широкого практического использования системы геномного редактирования CRISPR/Cas в селекции -возможность применения ко многим сортам одного и того же вида. В опубликованных работах пока еще используется весьма ограниченное число модельных сортов/линий. Тем не менее, несмотря на описанные ограничения, необходимо подчеркнуть, что за короткий срок (3.5 года с момента опубликования первых работ по модификации генома растений с помощью системы CRISPR/Cas) достигнуты значительные успехи. Ключевые
doi:10.18699/vj17.244 fatcat:cs726k3tlbf37igfgzruvhrtwy