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2022年5月9日，Plant Biotechnology Journal(IF:9.803)在线发表了题为Efficient C-to-G editing in rice using an optimized base editor的研究论文，该研究由南方科技大学前沿生物技术研究院朱健康研究组与中科院上海植物逆境中心陆钰明研究组共同完成。该项研究优化得到的CGBE碱基编辑器，可以在水稻中实现高效的C-G编辑。
胞嘧啶和腺嘌呤碱基编辑器（CBE和ABE）在植物中广泛应用，但其只能实现C-T或A-G的碱基改变。最近报道了一种新碱基编辑器CGBE，它能够在哺乳动物细胞和部分植物中进行C-G编辑。该项研究通过对载体元件进行优化，得到了可以在水稻中实现高效的C-G编辑的OsCGBE03碱基编辑器，为植物育种产生更多的碱基替代类型以及创制新的种质资源提供了有力工具。
作者首先设计了一种基于纳米荧光素酶（nLuc）报告基因的报告系统来检测常规CBE载体C-G/A的编辑效率（图1-a），发现仅能实现0.11%-0.14%的有效编辑，亟需优化完善载体，实现高效的C-G/A的编辑。基于UNG蛋白的保守性，他们在水稻基因组中比对确认了候选OsUNG（LOC_Os04g57730），利用OsUNG替换PCBE4中的UGI后改造得到OSCGBE01，随后对胞嘧啶脱氨酶进行优化，最终选择了对编辑效率提升明显的Anc689和Anc689（R33A）改造得到OsCGBE02和OsCGBE03，荧光素酶分析表明，Anc689（R33A）显著提高了效率，在C6可以实现1.69%的编辑，相较于PCBE4提高了12.1倍（图1-d）。
图1
a.检测C-G的荧光报告系统 b.载体结构图 c.不同UNG效率对比 d.不同脱氨酶效率对比 e.C6位置碱基转化效率
随后，在四个水稻基因(OsIPA1、OsbZIP5、OsSLR1、OsALS1)上测试OsCGBE03的效率，在222株水稻中以高频率实现了C-G/T编辑(30.2%)（图2）。在C6位置C-G的比例从3.6%大幅增加到45.9%（图1-e）。
图2 靶点及编辑结果
为了探索其在创造遗传多样性方面的价值，作者进一步编辑了ALS1和NRT1.1B基因，在ALS1基因共产生了8种氨基酸替换(图3-h)。G628E和G628D株系表现出抗除草剂表型(图3-g,i)；与野生型相比，变体(T327R或T327A)表现出明显的深绿色表型，可能反映了氮利用效率的改变(图3-j,k)。这些研究进一步证明了CGBE在为植物育种创造新的碱基替代物方面的价值。
图3
g,j,i,k. ALS1和NRT1.1B编辑的靶序列及植株 h.编辑ALS1得到的氨基酸替换种类
总之，本研究对五个水稻基因进行的CGBE编辑在所有测试的位点上C-G平均频率为21.3%。在之前的研究中已经报道一种用于水稻，番茄及白杨的CGBE系统(Sretenovic et al., 2021)，本研究中的的CGBE在水稻中显示出更高的稳定性和编辑效率。
参考文献：
[1] Sretenovic, S., Liu,S., Li,G., Cheng,Y. , &Qi,Y. (2021). Exploring C-to-G base editing in rice, tomato, and poplar. DOI: 10.3389/fgeed.2021.756766.