拓展CRISPR/Cas9核酸酶PAM範圍是使其在植物中被更廣泛應用的關鍵。2018年，David Liu團隊在Nature上報導了一種能識別NG，GAA和GATPAM的SpCas9變體（xCas9）。2019年，多個實驗室相繼報導了xCas9在植物上的表現，發現其能夠拓展基因組編輯範圍至NGPAM位點，但對於GAA和GAT PAM 位點，在水稻T0苗中僅有一個GATPAM位點實現編輯被報導。而目前具有更大PAM範圍的另一SpCas9變體（SpCas9-NG）在植物中和動物中都不識別GAA和GATPAM。因此，為了將基因組編輯範圍拓展至GAA和GATPAM位點，植物中的xCas9基因編輯系統亟待優化和提高。
本研究通過使用tRNA連接強化sgRNA，形成高效的tRNA-esgRNA系統，開發出了基於xCas9的基因編輯系統 （CRISPR-xCas9），首次發現CRISPR-xCas9在植物中能夠有效的切割GAAPAM位點和多個GATPAM位點，同時發現其還能夠有效切割多個GAGPAM位點（動物中尚無報導），並且仍然保持編輯鬆弛型的NGPAM位點的能力。該研究進一步利用相似的載體結構開發了基於xCas9的胞嘧啶鹼基編輯系統 （xCas9n-CBE），發現xCas9n-CBE在植物中可以對基因組上的以GA和鬆弛型的NG為PAM的靶點進行有效鹼基編輯。本團隊曾在2019年成功開發出基於xCas9的另一款新型鹼基編輯器（xCas9-pBE），本研究開發的xCas9n-CBE與之相比，不但能夠拓展編輯xCas9-pBE不能編輯的NGCPAM位點，而且表現出更高的平均鹼基編輯效率和更寬的編輯窗口。除上述兩款新型鹼基編輯器外，本團隊還在2019年開發出基於SpCas9及其變體VQR、以及SaCas9變體SaKKH的多款新型鹼基編輯器，實現了對PAM 為NAG、NGA、NNMRRT及NNKRGT靶點的C至T鹼基替換。綜合應用這些具有不同特點的鹼基編輯器，可以更大範圍地拓展作物基因組上基因組編輯的可靶向區域，具有很大的應用潛力。
玉米中心張成偉博士為本文第一作者，楊進孝為本文通訊作者。本研究得到北京學者（BSP041）項目和北京市自然科學基金（6204041）資助。玉米基因組編輯團隊是2017年組建成立的，目前主要聚焦於鹼基編輯、精確替換、組學編輯及其在玉米和水稻等作物中的高效應用。這是該團隊自成立以來在國際學術期刊上發表的第8篇高水平研究論文。