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基因编辑技术得到不断推进,农业革命真的要来了?

来源:生物谷 2017-10-13 17:50




目前基因编辑是最引人关注的农业科技之一。虽然医药公司用CRISPR技术寻找新药的努力早已不算是新闻了,但该技术在农作物上的应用很有可能会比在医药上的应用更早实现。我们有理由相信基因编辑技术将会成为作物育种和农业生物技术研发过程中的一个重要工具,并推动农业领域的一场革命。


CRISPR-Cas9是基因编辑技术中的一种,可用来删除或改变作物的某些性状。近年来,科学家应用CRISPR-Cas9技术在物种改良、产量提高、抗逆耐逆性等方面,取得了诸多成果。下面小编带大家看一看“魔剪”在农业应用中发挥的神奇魔力。

 
基因编辑技术与产量提高

 
美国冷泉港实验室研究人员日前发表在Cell杂志上的一项新研究表明,使用CRISPR-Cas9基因编辑技术,编辑农作物“产量”基因的启动子,可对作物数量性状产生微妙影响。研究人员称,育种专家可以利用这种手段“定制”农作物,以适应不同环境,从而提高作物产量。

 
利用基因编辑技术,通过基因启动子对作物基因表达进行微调,而不是删除基因或钝化其编码蛋白质的能力,可更灵活地改善作物的数量性状。


研究人员在西红柿上进行了试验。他们利用CRISPR/Cas9技术快速地产生多种变异株,这些突变会影响三种独立的重要性状:果实大小、分枝结构和整体植物形状。它们都是决定着植物产量的主要因素。这种方法适用于所有的食物作物、饲料作物和燃料作物,包括水稻、玉米、高粱和小麦。

 
论文通信作者、CSHL教授Zachary Lippman表示:“随着人口的增加,当前的作物增产率并不能满足地球的未来农业需求。最严重的限制之一是大自然并没有给育种者提供足够多的遗传变异用于研究,特别是针对主要的能够涉及几十种基因的产量性状。我们的实验室如今利用CRISPR技术产生新的遗传变异,这能够加快作物改良,同时让它的结果更可预测。” 


另外美国北卡罗来纳州立大学系统和合成生物学教授Heike Sederoff在一组实验中使用CRISPR将一种使番茄有甜味的基因引入油料作物中,结果发现种子的产量翻番了。她在报告中称,这一过程花费了不到两年的时间,与之相比,旧的技术则需要10年的时间。从长远来看,研究人员有可能会发现从番茄中分离的基因相似的油料作物中的基因,以求得到非转基因的高产作物。

 
基因编辑与品种改良

 
水稻是世界三大粮食作物之一,它的产量和品质与人们的生活水平息息相关。然而若要改良水稻的性状,传统选育方式需要经过多代繁育和基因筛选,周期较长。利用基因编辑技术对其进行改良是高效便捷的方法,不过它的应用还存在一些局限性。

 
今年3月19日,《分子植物》(Molecular Plant)杂志在线发表了中国科学院上海生命科学研究院植物逆境生物学研究中心朱健康研究组题为Multiplex Gene Editing in Rice using the CRISPR-Cpf1 System 的研究论文。该工作在水稻中利用CRISPR/Cpf1系统实现多基因位点编辑,效率达到40-75%;同时该系统在载体构建上比CRISPR/Cas9系统更加简单易行。该工作为水稻多基因定点编辑提供了一个简单高效的新工具。

 
朱健康研究组利用Francisella novicida Cpf1 (FnCpf1)和 Lachnospiraceae bacterium ND2006 Cpf1 (LbCpf1)对水稻进行单位点和多位点基因敲除的测试,研究表明上述两个Cpf1只需一条非常短的20-21bp的直接重复序列(direct repeats, DR)加上22-24bp的靶位点识别序列(guide)即可实现单基因敲除,更重要的是,把多个DR-guide单元直接串联,只需要一个启动子驱动即可简单高效地实现多基因敲除。该研究利用4个DR-guide单元组成的CrRNA短阵列分别对水稻RLK和CYP81A家族的四个基因进行编辑,各位点的敲除效率达到40-75%。该系统简单、高效地在水稻中实现了多基因定点编辑,拓展了CRISPR系统在植物中的应用,为水稻基因组定点编辑提供了一个新利器。


对于很多果实来说,成熟调控是能关乎到果实品质的一个过程。最近,朱健康研究组和郎曌博研究组的研究人员在 PNAS 杂志上发表了一项研究,利用 CRISPR/Cas 9 技术获得了番茄 sldml2 的突变体植株,发现了番茄 SlDML2 调节的 DNA 去甲基化不仅可以激活成熟需要的基因,同时还可以抑制成熟不需要的基因,在调节番茄果实成熟的过程中发挥了重要作用。


在这项研究中,研究人员利用 CRISPR/Cas 9 技术获得了番茄 sldml2 的突变体,SLDML2 基因与拟南芥中的 DNA 去甲基化酶基因 ROS1 具有很高的同源性。由于该基因的失活,使得全基因组范围内的甲基化水平升高,诱导果实成熟的基因表达受到抑制,导致番茄果实不能正常成熟。研究人员进一步研究表明,SlDML2 参与了成熟相关基因的激活表达,主要参与了色素合成和口味形成、乙烯生物合成及信号传导途径、细胞壁水解等途径中。


另外,令研究者意外的是,SlDML2 介导的 DNA 去甲基化也抑制了果实成熟中并不需要的基因的表达,这些基因大多是参与光合作用及细胞壁合成的基因。这项研究不仅发现了 SIDML2 基因的 DNA 去甲基化功能,而且揭示了 DNA 去甲基化在果实成熟发育过程中的重要作用,极有可能调控着果实成熟发育的精确度。


这项发现揭示 DNA 甲基化可能是转录因子和植物激素之外的第三个最重要的调节果实成熟因子,具有重要的理论和应用价值。


虽然大部分基因编辑农作物从研究到商业化还有很长的路要走,不过已经有品种让我们期待。杜邦公司在2016年初时宣布,在2020年即将诞生一款新的玉米品种。它将是史上第一例商业化的基因编辑农作物。


这类玉米的籽粒中支链淀粉的含量在97%以上,而普通的饲料玉米中支链淀粉含量只有75%左右。由于支链淀粉的吸水性更强,黏玉米的分离产物是更好的纸类黏合剂和食品增稠剂。


与传统选育方式不同,科学家们利用CRISPR工具,不需要经过多代繁育筛选,也不需要引入任何外源基因,只是部分敲除了一些能够产生直链淀粉酶的编码基因,就创造出了一个表现优良的黏玉米品种,同时对作物产量没有不利影响。
 

基因编辑与植物耐逆
 

近期,中国农业科学院棉花研究所棉花抗逆鉴定课题组创建了一种简单高效的耐盐相关内源基因编辑突变体筛选方法,应用CRISPR/Cas9系统精确有效地编辑棉花的两个耐盐相关的内源基因,为棉花的基因功能研究和分子育种提供了新思路。相关论文在线发表于Scientific Reports 杂志上。


以往研究表明,CRISPR/Cas9系统可以在多种植物中对靶标基因进行高效编辑。作为异源四倍体棉花的陆地棉基因组大而复杂,获得目标基因突变体的难度非常大,耐盐性的研究是世界性难题,而CRISPR/Cas9系统为获得棉花耐盐突变体提供了非常好的思路。

 
科研人员研究发现,对选取的棉花两个与耐盐相关的内源基因GhCLA1和GhVP, CRISPR/Cas9在棉花的原生质体中表达后,两个基因靶标位点的突变大部分是碱基的替换,而在转基因棉花植株中,该系统造成的靶标位点突变大部分是碱基的缺失。研究还发现,CRISPR/Cas9系统在棉花细胞中具有目标特异性,即只瞄准那些为它们设定的目标基因。基于棉花基因组大而复杂的特点,该研究表明利用CRISPR/Cas9系统成功创建了一种对棉花内源基因编辑和筛选突变体的有效方法。
 

生物谷即将于11月10-11日在上海举办2017植物基因组与基因编辑学术研讨会。本次大会由美国科学院院士朱健康院士做大会主席,中国农业大学生物学院陈其军教授,华中农业大学植物科学技术学院金双侠教授,华中农业大学刘克德教授,中国农业科学院中国水稻研究所王克剑研究员,中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗研究员,中国农业大学徐明良教授共同参与,围绕植物基因组研究、植物基因编辑技术的研究应用情况、以及对基因编辑农作物的政策监管进行探讨。为大家提供一个交流技术和前沿信息的平台,推动植物基因编辑领域的发展。我们热忱邀请您参加本次研讨会,与您相聚在上海!

 


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