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福建省科学家创新水稻定向改良技术——神奇的基因“魔剪”

2024-05-31 10:20:57 作者:张辉 胡海明 来源:东南网  责任编辑:蔡秀明   我来说两句

东南网5月31日讯(福建日报记者 张辉 通讯员 胡海明)近日,福建省农科院水稻研究所张建福研究员、谢华安院士团队,在国际一流学术期刊《植物生物技术杂志》上发表了题为《水稻基于多重基因组编辑的快速定向改良复杂性状》的研究论文。该成果不仅建立了适应水稻品种改良需求的快速育种体系和模型,也为研究复杂性状的调控网络提供了借鉴。

如同一把神奇的“剪刀”,基因编辑技术可以精准地切开DNA,像编辑文档一样改写生命代码。这把基因“魔剪”已广泛应用于农业育种研究。不过,传统基因编辑手段一次只能编辑少数几个基因,效率较低。福建科学家让这把“剪刀”具备了连续作战能力,最多能同时编辑12个水稻基因,让水稻育种获得更大加速度。

从“开盲盒”到“私人定制”

这把“剪刀”为何如此重要?让我们先从农业育种漫长的进阶史讲起。

5月24日,国际顶级学术期刊《科学》在线发表了我国一项最新研究成果,揭示了水稻从野生到驯化长约10万年的连续演化史。早在约10万年前,野生水稻就已在长江下游地区分布;约2.4万年前,我国先民开始采集并利用野生水稻;约1.3万年前,人们有意或无意地对野生水稻进行驯化前的栽培;约1.1万年前,东亚稻作农业从这里发端。

在大自然中筛选天赋异禀的野生植物,通过人工栽培,让其世代繁衍,为我所用,这就是农作物育种最初的模样。这个过程依赖自然变异,有点像“开盲盒”。进入现代社会后,人们开始利用杂种优势,在取长补短中定向选育多项全能的“六边形战士”。但这仍不是最高效的方法。杂交育种充满不确定性,需要海量筛选鉴定,育成一个品种通常需要8至10年。

分子生物学的发展,破译了生命的遗传密码,也为提升育种效率打开了新的大门。

人们发现,生命的外在特征取决于内在基因。基因的本质是DNA分子上的一些片段,ATCG等4种碱基的不同排列组合,决定了每一种基因的功能。这多么像程序代码啊!于是,在“解码人”的努力下,人们逐渐读懂了这些代码背后的深意:有的调控水稻的株高,有的调控水稻熟期,有的调控水稻耐旱性……不同基因往往相互作用,最终构成了一个高度复杂的调控网络。如果能够像改写程序代码一样,光标停到哪儿,就编辑哪个基因,不就可以定制人们所需要的水稻品种吗?

基因编辑技术应运而生。

目前,最主流的基因编辑手段是CRISPR-Cas9系统。它源自微生物内部防御机制的启发。科学家发现,一些细菌和古菌具有一项超级技能。当它们遭遇病毒入侵时,会默默记录下对方的DNA序列,写在复仇“小本本”上。当相同的病毒下次再次入侵时,细胞内部便能根据记录,认出宿敌,产生一种特殊的蛋白质——核酸内切酶,一举切断病毒的DNA,使其无法作威作福。

依样画葫芦,科学家人为构建了一套CRISPR-Cas9系统。这套系统包含两个核心工具:一是用于识别基因位置的“导航器”,它可以精准找到某个基因在DNA上的位点;二是用于切割DNA的“剪刀”。DNA被切开后,细胞会迅速启动修复机制。但就像代码容易出现bug一样,DNA自我修复也会失误。譬如,一个碱基丢失了,这个基因就相当于被敲除了。人们由此也可以借助这个过程实现基因的敲入、替换。

改写生命代码,私人定制育种,因此成为可能。

从“单点作战”到“多路包抄”

以CRISPR-Cas9为代表的基因编辑技术,已广泛应用于生物育种领域。但过去,一次通常只能编辑单个基因,最多也不过三四个。

“同时编辑多个基因,容易造成基因组不稳定。”论文第一作者、福建省农科院水稻研究所魏毅东博士说,根据基因的连锁和交换定律,位于同一条染色体上的不同基因,如果距离太近,就很可能在遗传时产生连锁,不利于在后代中产生更多遗传变异。

如果能够实现多基因同时编辑,就能更进一步提高改良效率。福建省农科院水稻研究所的技术创新,解决的就是这个问题。

“我们选定了12个水稻功能基因,其中4个控制株型和穗型,7个控制穗期,1个控制香味;一部分为正向调控,另一部分为负向调控。”福建省农科院水稻研究所所长、研究员张建福说,这12个基因分布在水稻不同的染色体上。也就是说,它们的遗传距离很远,不会产生连锁,编辑后也不会对基因组的整体稳定性造成影响。

多基因同时编辑成为可能。随后,科研人员抓紧组装工具箱——构建一个载体,打包装入“定位器”和“剪刀”两个核心工具。在试验过程中,他们选择了自主选育的优质籼稻品种作为编辑对象。这个品种本就是水稻中的“优等生”,科研人员将工具箱导入它的愈伤组织。在12个“定位器”的导航下,基因“剪刀”迅速进入水稻细胞,抵达细胞核上的目标位置,一次性将12个基因敲除。到这里,生命“魔剪”的使命就完成了。

3至5个月后,经历了基因编辑后的愈伤组织,重新分化长成了一株完整的幼苗。但这还不是我们最终需要的结果。这是因为,单个基因往往不是独立发挥作用的,它们可能和其他基因相互协同、相互制约,这个过程被称为基因互作。比如,水稻抽穗期提前了,可能就伴随着产量降低,二者的关系犹如此起彼伏的跷跷板。

换句话说,12个基因同时被敲除,不一定是最好的结果。有些敲除、有些保留,才可能实现多方共赢。这样的情形有多少种呢?答案是2的12次方——4096种。科研人员要做的,是从4096个组合中,找出最优解。于是,他们将基因被编辑过的水稻植株,与未编辑过的品种杂交,再播种杂交种子。这些杂交后代有4096种基因组合。科研人员观察其田间表现,从中选出综合实力最强、最需要的组合。这个工作量看起来十分庞大,但和传统杂交育种过程动辄要从数万个组合中挑选比起来,已经算事半功倍了。

通过这套以多基因编辑为基础的快速定向改良的育种新技术,福建省农科院水稻研究所已经选育出多个早熟、株叶态好,兼具稳产、抗性、优质表现的育种材料,为后续精准选育突破性水稻新品种奠定了基础。展望未来,以往只适合在华南稻区栽培的水稻品种,可能得以进入长江中下游稻区;只能作为单季稻生产的品种,可以作为双季稻生产。

“基因编辑等现代生物育种技术广泛应用的背后,是育种理念的创新与突破。”张建福说,传统育种手段偏重田间选择,工作量大,周期漫长,现代育种技术则把选择提前到了实验室阶段。“我们将传统育种技术与现代育种技术相结合,有效缩小选择范围,显著提高育种效率。”

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