RNA-guided endonucleases form the crux of diverse biological processes and technologies, including adaptive immunity, transposition, and genome editing. Some of these enzymes are components of insertion sequences (IS) in the IS200/IS605 and IS607 transposon families. Both IS families encode a TnpA transposase and TnpB nuclease, an RNA-guided enzyme ancestral to CRISPR-Cas12. In eukaryotes and their viruses, TnpB homologs occur as two distinct types, Fanzor1 and Fanzor2. We analyzed the evolutionary relationships between prokaryotic TnpBs and eukaryotic Fanzors, revealing that a clade of IS607 TnpBs with unusual active site arrangement found primarily in Cyanobacteriota likely gave rise to both types of Fanzors. The wide-spread nature of Fanzors imply that the properties of this particular group of IS607 TnpBs were particularly suited to adaptation and evolution in eukaryotes and their viruses. Experimental characterization of a prokaryotic IS607 TnpB and virally encoded Fanzor1s uncovered features that may have fostered coevolution between TnpBs/Fanzors and their cognate transposases. Our results provide insight into the evolutionary origins of a ubiquitous family of RNA-guided proteins that shows remarkable conservation across domains of life.

Abstract CRISPR-Cas systems have been developed as important tools for plant genome engineering. Here, we demonstrate that the hypercompact CasΦ nuclease is able to generate stably inherited gene edits in Arabidopsis , and that CasΦ guide RNAs can be expressed with either the Pol-III U6 promoter or a Pol-II promoter together with ribozyme mediated RNA processing. Using the Arabidopsis fwa epiallele we show that CasΦ displays higher editing efficiency when the target locus is not DNA methylated, suggesting that CasΦ is sensitive to chromatin environment. Importantly, two CasΦ protein variants, vCasΦ and nCasΦ, both showed much higher editing efficiency relative to the wildtype CasΦ enzyme, and yielded more offspring plants with inherited edits. Extensive genomic analysis of gene edited plants showed no off-target editing, suggesting that CasΦ is highly specific. The hypercompact size, T-rich minimal PAM and wide range of working temperatures make CasΦ an excellent supplement to existing plant genome editing systems. Significance Statement Plant genome engineering with CRISPR-Cas systems is frequently used in both research and agriculture. Here, we demonstrate that the hypercompact CasΦ-2 nuclease is able to generate heritable gene edits in Arabidopsis . Two CasΦ protein variants vCasΦ and nCasΦ increased the editing efficiency in plants. CasΦ also has a wide range of working temperatures and the editing by CasΦ is highly specific. We also observed that editing by CasΦ is sensitive to chromatin environment. The hypercompact size, T-rich minimal PAM and wide range of working temperatures make CasΦ an excellent supplement to existing plant genome editing systems.

Genome editing is transforming plant biology by enabling precise DNA modifications. However, delivery of editing systems into plants remains challenging, often requiring slow, genotype-specific methods such as tissue culture or transformation. Plant viruses, which naturally infect and spread to most tissues, present a promising delivery system for editing reagents. But most viruses have limited cargo capacities, restricting their ability to carry large CRISPR-Cas systems. Here, we engineered tobacco rattle virus to carry the compact RNA-guided TnpB enzyme ISYmu1 and its guide RNA. This innovation allowed transgene-free editing of Arabidopsis thaliana in a single step, with edits inherited in the subsequent generation. By overcoming traditional reagent delivery barriers, this approach offers a novel platform for genome editing, which can greatly accelerate plant biotechnology and basic research.