The relative ease, speed, and biological scope of clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated Protein9 (Cas9)-based reagents for genomic manipulations are revolutionizing virtually all areas of molecular biosciences, including functional genomics, genetics, applied biomedical research, and agricultural biotechnology. In plant systems, however, a number of hurdles currently exist that limit this technology from reaching its full potential. For example, significant plant molecular biology expertise and effort is still required to generate functional expression constructs that allow simultaneous editing, and especially transcriptional regulation, of multiple different genomic loci or multiplexing, which is a significant advantage of CRISPR/Cas9 versus other genome-editing systems. To streamline and facilitate rapid and wide-scale use of CRISPR/Cas9-based technologies for plant research, we developed and implemented a comprehensive molecular toolbox for multifaceted CRISPR/Cas9 applications in plants. This toolbox provides researchers with a protocol and reagents to quickly and efficiently assemble functional CRISPR/Cas9 transfer DNA constructs for monocots and dicots using Golden Gate and Gateway cloning methods. It comes with a full suite of capabilities, including multiplexed gene editing and transcriptional activation or repression of plant endogenous genes. We report the functionality and effectiveness of this toolbox in model plants such as tobacco (Nicotiana benthamiana), Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), and rice (Oryza sativa), demonstrating its utility for basic and applied plant research.

Context-dependent assembly (CoDA) of zinc finger nucleases is reported. Starting from an archive of zinc finger modules known to function well together, effective multifinger arrays can be constructed using standard techniques. Also in this issue, Doyon et al. report rational design of nucleases with improved cleavage activity. Engineered zinc-finger nucleases (ZFNs) enable targeted genome modification. Here we describe context-dependent assembly (CoDA), a platform for engineering ZFNs using only standard cloning techniques or custom DNA synthesis. Using CoDA-generated ZFNs, we rapidly altered 20 genes in Danio rerio, Arabidopsis thaliana and Glycine max. The simplicity and efficacy of CoDA will enable broad adoption of ZFN technology and make possible large-scale projects focused on multigene pathways or genome-wide alterations.

Abstract The ability to precisely engineer plant genomes offers much potential for advancing basic and applied plant biology. Here, we describe methods for the targeted modification of plant genomes using transcription activator-like effector nucleases (TALENs). Methods were optimized using tobacco (Nicotiana tabacum) protoplasts and TALENs targeting the acetolactate synthase (ALS) gene. Optimal TALEN scaffolds were identified using a protoplast-based single-strand annealing assay in which TALEN cleavage creates a functional yellow fluorescent protein gene, enabling quantification of TALEN activity by flow cytometry. Single-strand annealing activity data for TALENs with different scaffolds correlated highly with their activity at endogenous targets, as measured by high-throughput DNA sequencing of polymerase chain reaction products encompassing the TALEN recognition sites. TALENs introduced targeted mutations in ALS in 30% of transformed cells, and the frequencies of targeted gene insertion approximated 14%. These efficiencies made it possible to recover genome modifications without selection or enrichment regimes: 32% of tobacco calli generated from protoplasts transformed with TALEN-encoding constructs had TALEN-induced mutations in ALS, and of 16 calli characterized in detail, all had mutations in one allele each of the duplicate ALS genes (SurA and SurB). In calli derived from cells treated with a TALEN and a 322-bp donor molecule differing by 6 bp from the ALS coding sequence, 4% showed evidence of targeted gene replacement. The optimized reagents implemented in plant protoplasts should be useful for targeted modification of cells from diverse plant species and using a variety of means for reagent delivery.

Targeting specificity has been a barrier to applying genome editing systems in functional genomics, precise medicine and plant breeding. In plants, only limited studies have used whole-genome sequencing (WGS) to test off-target effects of Cas9. The cause of numerous discovered mutations is still controversial. Furthermore, WGS-based off-target analysis of Cpf1 (Cas12a) has not been reported in any higher organism to date.

Pathogen-associated molecular pattern (PAMP)-trigged immunity (PTI) is the first defensive line of plant innate immunity and is mediated by pattern recognition receptors. Here, we show that a mutation in BR-SIGNALING KINASE1 (BSK1), a substrate of the brassinosteroid (BR) receptor BRASSINOSTEROID INSENSITIVE1, suppressed the powdery mildew resistance caused by a mutation in ENHANCED DISEASE RESISTANCE2, which negatively regulates powdery mildew resistance and programmed cell death, in Arabidopsis thaliana. A loss-of-function bsk1 mutant displayed enhanced susceptibility to virulent and avirulent pathogens, including Golovinomyces cichoracearum, Pseudomonas syringae, and Hyaloperonospora arabidopsidis. The bsk1 mutant also accumulated lower levels of salicylic acid upon infection with G. cichoracearum and P. syringae. BSK1 belongs to a receptor-like cytoplasmic kinase family and displays kinase activity in vitro; this kinase activity is required for its function. BSK1 physically associates with the PAMP receptor FLAGELLIN SENSING2 and is required for a subset of flg22-induced responses, including the reactive oxygen burst, but not for mitogen-activated protein kinase activation. Our data demonstrate that BSK1 is involved in positive regulation of PTI. Together with previous findings, our work indicates that BSK1 represents a key component directly involved in both BR signaling and plant immunity.

CRISPR/Cas9 and Cas12a (Cpf1) nucleases are two of the most powerful genome editing tools in plants. In this work, we compared their activities by targeting maize glossy2 gene coding region that has overlapping sequences recognized by both nucleases. We introduced constructs carrying SpCas9-guide RNA (gRNA) and LbCas12a-CRISPR RNA (crRNA) into maize inbred B104 embryos using Agrobacterium-mediated transformation. On-target mutation analysis showed that 90%-100% of the Cas9-edited T0 plants carried indel mutations and 63%-77% of them were homozygous or biallelic mutants. In contrast, 0%-60% of Cas12a-edited T0 plants had on-target mutations. We then conducted CIRCLE-seq analysis to identify genome-wide potential off-target sites for Cas9. A total of 18 and 67 potential off-targets were identified for the two gRNAs, respectively, with an average of five mismatches compared to the target sites. Sequencing analysis of a selected subset of the off-target sites revealed no detectable level of mutations in the T1 plants, which constitutively express Cas9 nuclease and gRNAs. In conclusion, our results suggest that the CRISPR/Cas9 system used in this study is highly efficient and specific for genome editing in maize, while CRISPR/Cas12a needs further optimization for improved editing efficiency.

CRISPR-Cas12a (formerly Cpf1) is an RNA-guided endonuclease with distinct features that have expanded genome editing capabilities. Cas12a-mediated genome editing is temperature sensitive in plants, but a lack of a comprehensive understanding on Cas12a temperature sensitivity in plant cells has hampered effective application of Cas12a nucleases in plant genome editing. We compared AsCas12a, FnCas12a, and LbCas12a for their editing efficiencies and non-homologous end joining (NHEJ) repair profiles at four different temperatures in rice. We found that AsCas12a is more sensitive to temperature and that it requires a temperature of over 28 °C for high activity. Each Cas12a nuclease exhibited distinct indel mutation profiles which were not affected by temperatures. For the first time, we successfully applied AsCas12a for generating rice mutants with high frequencies up to 93% among T0 lines. We next pursued editing in the dicot model plant Arabidopsis, for which Cas12a-based genome editing has not been previously demonstrated. While LbCas12a barely showed any editing activity at 22 °C, its editing activity was rescued by growing the transgenic plants at 29 °C. With an early high-temperature treatment regime, we successfully achieved germline editing at the two target genes, GL2 and TT4, in Arabidopsis transgenic lines. We then used high-temperature treatment to improve Cas12a-mediated genome editing in maize. By growing LbCas12a T0 maize lines at 28 °C, we obtained Cas12a-edited mutants at frequencies up to 100% in the T1 generation. Finally, we demonstrated DNA binding of Cas12a was not abolished at lower temperatures by using a dCas12a-SRDX-based transcriptional repression system in Arabidopsis. Our study demonstrates the use of high-temperature regimes to achieve high editing efficiencies with Cas12a systems in rice, Arabidopsis, and maize and sheds light on the mechanism of temperature sensitivity for Cas12a in plants.

Abstract CRISPR/Cas has recently emerged as the most reliable system for genome engineering in various species. However, concerns about risks associated with CRISPR/Cas9 technology are increasing on potential unintended DNA changes that might accidentally arise from CRISPR gene editing. Developing a system that can detect and report the presence of active CRIPSR/Cas tools in biological systems is therefore very necessary. Here, we developed the real-time detection systems that can spontaneously indicate CRISPR-Cas tools for genome editing and gene regulation including CRISPR/Cas9 nuclease, base editing, prime editing and CRISPRa in plants. Using the fluorescence-based molecular biosensors, we demonstrated that the activities of CRISPR/Cas9 nuclease, base editing, prime editing and CRIPSRa can be effectively detected in transient expression via protoplast transformation and leaf infiltration (in Arabidopsis , poplar, and tobacco) and stable transformation in Arabidopsis .