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利用CRISPR/Cas9打破作物产量限制

更新时间:2017-09-17 22:21:59 | fx_2e87ac9e

  在一项新的研究中,来自美国冷泉港实验室(CSHL)和马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员利用基因组编辑的仍然未充分开启的力量改善农作物。以西红柿为例,他们利用CRISPR/Cas9技术快速地产生这种植物的变异株,这些植物变异株广泛地、持续地表现出三种独立的农业上重要的性状:果实大小、分枝结构(branching architecture)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、饲料作物和燃料作用,包括水稻、玉米、高粱和小麦。相关研究结果于2017年9月14日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“Engineering Quantitative Trait Variation for Crop Improvement by Genome Editing”。

  论文通信作者、CSHL教授Zachary Lippman说,“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。”

  这些实验涉及利用CRISPR/Cas9“剪刀”在西红柿的三个被称作启动子的基因组序列上进行多次切割,其中启动子是相关基因附近的调节性DNA区域,有助调节这些“产量”基因在生长期间在何时、何处和在多大的水平上是有活性的。这些研究人员以这种方式在每个调节性区域中产生多组突变,从而能够诱导这三种目标性状中的每一种发生广泛的变化。

  Lippman解释道,“我们利用每种性状证实利用CRISPR/Cas9能够产生新的遗传变异和性状变异,从而能够让育种者根据情况对植物进行量身定做。如今每种性状能够以一种调光开关控制灯泡的方式加以控制。”

  通过利用CRISPR/Cas9让调节序列(即相关“产量”基因的启动子而不是这些基因本身)发生突变,这些研究人员发现他们能够实现对数量性状(quantitative traits)的更加微小的影响。鉴于这些遗传变异为改善产量性状提供的灵活性,微调基因表达而不是剔除或灭活它们编码的蛋白最可能有利于农业商业化。

  Lippman说,“传统育种涉及花费大量的时间和精力来将相关基因的有益变异转变为最佳的品种,而且必须每年持续地改良这些品种。我们的方法在有利于育种的其他的自然突变环境下直接产生和选择控制基因活性的最理想变异体,从而有助于绕过这种限制。我们如今能够利用天然的DNA开展研究,增强大自然提供的选择力量,我们认为这能够有助于打破产量限制。”

  每个突变区域都会产生数量性状位点(quantitative trait loci, QTL)。在任何一种给定的植物中,QTL都是在上千年的进化中自然产生的,结果就是自发性突变导致产量性状产生微小变化。几个世纪以来,寻找和使用大自然提供的QTL一直是植物育种者的目标,但是最有价值的QTL,即导致性状产生微小变化的那些QTL,是比较罕见的。Lippman和他的团队如今证实能够将CRISPR产生的QTL与现存的QTL结合起来,产生遗传变异的“工具箱”,而且这些遗传变异的数量超过自然界中发现的数量。