Background: The roots of Panax ginseng contain two types of tetracyclic triterpenoid saponins, namely, protopanaxadiol (PPD)-type saponins and protopanaxatiol (PPT)-type saponins. In P. ginseng, the protopanaxadiol 6-hydroxylase (PPT synthase) enzyme catalyses protopanaxatriol (PPT) production from protopanaxadiol (PPD). In this study, we constructed homozygous mutant lines of ginseng by CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis of the PPT synthase gene and obtained the mutant ginseng root lines having complete depletion of the PPT-type ginsenosides. Methods: Two sgRNAs (single guide RNAs) were designed for target mutations in the exon sequences of the two PPT synthase genes (both PPTa and PPTg sequences) with the CRISPR/Cas9 system. Transgenic ginseng roots were generated through Agrobacterium-mediated transformation. The mutant lines were screened by ginsenoside analysis and DNA sequencing. Result: Ginsenoside analysis revealed the complete depletion of PPT-type ginsenosides in three putative mutant lines (Cr4, Cr7, and Cr14). The reduction of PPT-type ginsenosides in mutant lines led to increased accumulation of PPD-type ginsenosides. The gene editing in the selected mutant lines was confirmed by targeted deep sequencing. Conclusion: We have established the genome editing protocol by CRISPR/Cas9 system in P. ginseng and demonstrated the mutated roots producing only PPD-type ginsenosides by depleting PPT-type ginsenosides. Because the pharmacological activity of PPD-group ginsenosides is significantly different from that of PPT-group ginsenosides, the new type of ginseng mutant producing only PPD-group ginsenosides may have new pharmacological characteristics compared to wild-type ginseng. This is the first report to generate target-induced mutations for the modification of saponin biosynthesis in Panax species using CRISPR-Cas9 system.
Jae-Ryoung Park;Eun-Gyeong Kim;Yoon-Hee Jang;Kyung-Min Kim
Proceedings of the Korean Society of Crop Science Conference
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2022.10a
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pp.288-288
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2022
Rice is an important staple in the world. And drought is one of the important constraints that negatively affect yield loss and grain quality of rice. CRISPR/Cas9 is a new breeding strategy that can improve the characteristics of rice quickly and accurately. CRISPR/Cas9 is a novel approach that can reliably harvest rice yields in response to a rapidly changing climate. In addition, there is no externally inserted DNA left in genome-editing rice, and it is receiving attention as being able to take responsibility for future food because its characteristics are continuously improved. In the future, high levels of drought resistant in water-constrained environments will be required, which will reduce yield loss. OsSAP was genome-editing with CRISPR/Cas9 in rice. A different line number was assigned to each panicle, and the generation advanced by applying the ear-to-row method. Genome-editing rice has improved drought resistance in drought conditions. Also, in genome-editing rice, the target sequence was homozygous in the 0 generation, and the coefficient of variation of heading date, number of tiller, and 1,000-grain weight was very small in 2 generation. In the era of rapidly changing climate change, CRISPR/Cas9 presents a new breeding strategy that can rapidly and accurately improve agronomic traits of major food crops as well as rice. CRISPR/Cas9 is applied together with traditional breeding to develop into a new breeding strategy, it is suggested that food can be obtained stably in response to climate change.
CRISPR/Cas9 is the latest tool introduced in the field of genome engineering and is so far the best genome-editing tool as compared to its precedents such as, meganucleases, zinc finger nucleases (ZFNs) and transcription activator-like effectors (TALENs). The simple design and assembly of the CRISPR/Cas9 system makes genome editing easy to perform as it uses small guide RNAs that correspond to their DNA targets for high efficiency editing. This has helped open the doors for multiplexible genome targeting in many species that were intractable using old genetic perturbation techniques. Currently, The CRISPR system is revolutionizing the way biological researches are conducted and paves a bright future not only in research but also in medicine and biotechnology. In this review, we evaluated the history, types and structure, the mechanism of action of CRISPR/Cas System. In particular, we focused on the application of this powerful tool in autophagy research.
Kim, Rigyeong;Song, Jaeeun;Ga, Eunji;Min, Myung Ki;Lee, Jong-Yeol;Lim, Sun-Hyung;Kim, Beom-Gi
Korean Journal of Agricultural Science
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v.46
no.4
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pp.885-895
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2019
Plant biotechnologists have long dreamed of technologies to manipulate genes in plants at will. This dream has come true partly through the clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/Cas9 technology, which now has been used to edit genes in several important crops. However, there are many restrictions in editing a gene precisely using the CRISPR/Cas9 technology because CRISPR/Cas9 may cause deletions or additions in some regions of the target gene. Several other technologies have been developed for gene targeting and precision editing. Among these, base editors might be the most practically and efficiently used compared to others. Base editors are tools which are able to cause a transition from cytosine into thymine, or from adenine into guanine very precisely on specific sequences. Cytosine base editors basically consist of nCas9, cytosine deaminase, and uracil DNA glycosylase inhibitor (UGI). Adenine base editors consist of nCas9 and adenine deaminase. These were first developed for human cells and have since also been applied successfully to crops. Base editors have been successfully applied for productivity improvement, fortification and herbicide resistance of crops. Thus, base editor technologies start to open a new era for precision gene editing or breeding in crops and might result in revolutionary changes in crop breeding and biotechnology.
Park, Su Jin;Choi, Young-Im;Jang, Hyun A;Kim, Sang-Gyu;Choi, Hyunmo;Kang, Beum-Chang;Lee, Hyoshin;Bae, Eun-Kyung
Journal of Plant Biotechnology
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v.48
no.1
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pp.34-43
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2021
Targeted genome editing using the CRISPR/Cas9 system is a ground-breaking technology that is being widely used to produce plants with useful traits. However, for woody plants, only a few successful attempts have been reported. These successes have used Agrobacterium-mediated transformation, which has been reported to be very efficient at producing genetically modified trees. Nonetheless, there are unresolved problems with plasmid sequences that remain in the plant genome. In this study, we demonstrated a DNA-free genome editing technique in which purified CRISPR/Cas9 ribonucleoproteins (RNPs) are delivered directly to the protoplasts of a hybrid poplar (Populus alba × Populus glandulosa). We designed three single-guide RNAs (sgRNAs) to target the stress-associated protein 1 gene (PagSAP1) in the hybrid poplar. Deep sequencing results showed that pre-assembled RNPs had a more efficient target mutagenesis insertion and deletion (indel) frequency than did non-assembled RNPs. Moreover, the RNP of sgRNA3 had a significantly higher editing efficacy than those of sgRNA1 and sgRNA2. Our results suggest that the CRISPR/Cas9 ribonucleoprotein-mediated transfection approach is useful for the production of transgene-free genome-edited tree plants.
More and more available fungal genome sequence data reveal a large amount of secondary metabolite (SM) biosynthetic 'dark matter' to be discovered. Heterogeneous expression is one of the most effective approaches to exploit these novel natural products, but it is limited by having to clone entire biosynthetic gene clusters (BGCs) without errors. So far, few effective technologies have been developed to manipulate the specific large DNA fragments in filamentous fungi. Here, we developed a fungal BGC-capturing system based on CRISPR/Cas9 cleavage in vitro. In our system, Cas9 protein was purified and CRISPR guide sequences in combination with in vivo yeast assembly were rationally designed. Using targeted cleavages of plasmid DNAs with linear (8.5 kb) or circular (8.5 kb and 28 kb) states, we were able to cleave the plasmids precisely, demonstrating the high efficiency of this system. Furthermore, we successfully captured the entire Nrc gene cluster from the genomic DNA of Neosartorya fischeri. Our results provide an easy and efficient approach to manipulate fungal genomic DNA based on the in vitro application of Cas9 endonuclease. Our methodology will lay a foundation for capturing entire groups of BGCs in filamentous fungi and accelerate fungal SMs mining.
Programmable nucleases, which include zinc-finger nucleases (ZFNs), transcription activator-like effector nucleases (TALENs), and RNA-guided engineered nucleases (RGENs) repurposed from the type II clustered, regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-CRISPR-associated protein 9 (Cas9) system are now widely used for genome editing in higher eukaryotic cells and whole organisms, revolutionising almost every discipline in biological research, medicine, and biotechnology. All of these nucleases, however, induce off-target mutations at sites homologous in sequence with on-target sites, limiting their utility in many applications including gene or cell therapy. In this review, we compare methods for detecting nuclease off-target mutations. We also review methods for profiling genome-wide off-target effects and discuss how to reduce or avoid off-target mutations.
Park, Jong Woo;Yu, Jeong Hee;Kim, Su-Bae;Kim, Seong-Wan;Kim, Seong-Ryul;Choi, Kwang-Ho;Kim, Jong Gil;Kim, Kee Young
International Journal of Industrial Entomology and Biomaterials
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v.39
no.1
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pp.14-21
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2019
Genome editing by CRISPR/Cas9, a third-generation gene scissor in molecular breeding at the genome level, is attracting much attention as one of the breeding techniques of the future. In this study, genetic and phenotypic analysis was used to examine the responsiveness of the Bakokjam variety of the silkworm Bombyx mori to molecular breeding using CRISPR/Cas9 in editing the white egg 2 (w-2) gene. The nucleotide sequence of the w-2 gene was analyzed and three different guide RNAs (gRNA) were prepared. The synthesized gRNA was combined with Cas9 protein and then analyzed by T7 endonuclease I after introduction into the Bm-N silkworm cell line. To edit the silkworm gene, W1N and W2P gRNA and Cas9 complexes were microinjected into silkworm embryos. Based on the results of microinjection, the hatching rate was 16-24% and the incidence of mutation was 33-37%. The gene mutation was verified in the heterozygous F1 generation, but no phenotypic change was observed. In F2 homozygotes generated by F1 self-crosses, a mutant phenotype was observed. These results suggest that silkworm molecular breeding using the CRISPR/Cas9 system is possible and will be a very effective way to shorten the time required than the traditional breeding process.
Eun-Gyeong Kim;Jae-Ryoung Park;Yoon-Hee Jang;Kyung-Min Kim
Proceedings of the Korean Society of Crop Science Conference
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2022.10a
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pp.285-285
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2022
Recent unpredictable climate change is a major cause of rice yield loss. In particular, methane is a key factor in global warming. Therefore rice breeders are trying to breed the reducing-methane gas emission rice using the crossbreeding method. However, the traditional crossbreeding method takes 8 to 10 years to breed a cultivar, and the anther culture method developed to shorten the breeding cycle also takes 6 to 7 years. On the other hand, CRISPR/Cas9 accurately edits the target trait and can rapidly breed rice cultivars by editing the target trait as a homozygous in 2-3 years. In addition, exogenous genetic elements such as Cas9 can be isolated from the G1 generation. Therefore, the flowering time was regulated by applying CRISPR/Cas9 technology, and OsCKq1 genome-editing (OsCKq1-G) rice with early flowered and high yield was bred in the field. Genome-editing of OsCKq1 applied CRISPR/Cas9 technology up-regulates the expression of the flowering promotion gene Ehd1 under long-day conditions induces early flowering and increases the yield by increasing the 1,000-grain weight. And as the generations advanced, each agricultural trait indicated a low coefficient of variation. As a result, indicated that OsCKq1 plays an important role in regulating the flowering time and is related to the trait determining yield. Therefore, OsCKq1-G can suggest a breeding strategy for the Net-Zero national policy for reducing-methane gas emission rice by shortening the breeding cycle with the early flowered, and high-yield rice. CRISPR/Cas9 technology is a rapid and accurate breeding technology for breeding rice cultivars with important characteristics.
CRISPR-Cas9 is one of the gene-editing technologies that infinite potential. It may provide human beings with many benefits or cause unanticipated challenges. The governance as standards setting or regulation of gene-editing technologies can contribute to keeping a balance between scientific value and ethical commitments. Guaranteeing public participation provides an additional opportunity to think about ethical and moral considerations: For whose benefit the internationally discussed governance of gene-editing technologies is directed at? There is a doubt regarding whether the governance justifies scientific researchers' gene-editing research. Suppose that governance promotes the advancement of CRISPR-Cas9, it should also encourage greater research responsibility. If not, there may be tragedies brought about by the misconduct of researchers. Thus, the essential matter on the governance for the research of CRISPR-Cas9 is the researchers' responsibility.
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