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        中新網福建新聞正文

        福建省科學家創新水稻定向改良技術——神奇的基因“魔剪”

          近日,福建省農科院水稻研究所張建福研究員、謝華安院士團隊,在國際一流學術期刊《植物生物技術雜志》上發表了題為《水稻基于多重基因組編輯的快速定向改良復雜性狀》的研究論文。該成果不僅建立了適應水稻品種改良需求的快速育種體系和模型,也為研究復雜性狀的調控網絡提供了借鑒。

          如同一把神奇的“剪刀”,基因編輯技術可以精準地切開DNA,像編輯文檔一樣改寫生命代碼。這把基因“魔剪”已廣泛應用于農業育種研究。不過,傳統基因編輯手段一次只能編輯少數幾個基因,效率較低。福建科學家讓這把“剪刀”具備了連續作戰能力,最多能同時編輯12個水稻基因,讓水稻育種獲得更大加速度。

          從“開盲盒”到“私人定制”

          這把“剪刀”為何如此重要?讓我們先從農業育種漫長的進階史講起。

          5月24日,國際頂級學術期刊《科學》在線發表了我國一項最新研究成果,揭示了水稻從野生到馴化長約10萬年的連續演化史。早在約10萬年前,野生水稻就已在長江下游地區分布;約2.4萬年前,我國先民開始采集并利用野生水稻;約1.3萬年前,人們有意或無意地對野生水稻進行馴化前的栽培;約1.1萬年前,東亞稻作農業從這里發端。

          在大自然中篩選天賦異稟的野生植物,通過人工栽培,讓其世代繁衍,為我所用,這就是農作物育種最初的模樣。這個過程依賴自然變異,有點像“開盲盒”。進入現代社會后,人們開始利用雜種優勢,在取長補短中定向選育多項全能的“六邊形戰士”。但這仍不是最高效的方法。雜交育種充滿不確定性,需要海量篩選鑒定,育成一個品種通常需要8至10年。

          分子生物學的發展,破譯了生命的遺傳密碼,也為提升育種效率打開了新的大門。

          人們發現,生命的外在特征取決于內在基因;虻谋举|是DNA分子上的一些片段,ATCG等4種堿基的不同排列組合,決定了每一種基因的功能。這多么像程序代碼!于是,在“解碼人”的努力下,人們逐漸讀懂了這些代碼背后的深意:有的調控水稻的株高,有的調控水稻熟期,有的調控水稻耐旱性……不同基因往往相互作用,最終構成了一個高度復雜的調控網絡。如果能夠像改寫程序代碼一樣,光標停到哪兒,就編輯哪個基因,不就可以定制人們所需要的水稻品種嗎?

          基因編輯技術應運而生。

          目前,最主流的基因編輯手段是CRISPR-Cas9系統。它源自微生物內部防御機制的啟發?茖W家發現,一些細菌和古菌具有一項超級技能。當它們遭遇病毒入侵時,會默默記錄下對方的DNA序列,寫在復仇“小本本”上。當相同的病毒下次再次入侵時,細胞內部便能根據記錄,認出宿敵,產生一種特殊的蛋白質——核酸內切酶,一舉切斷病毒的DNA,使其無法作威作福。

          依樣畫葫蘆,科學家人為構建了一套CRISPR-Cas9系統。這套系統包含兩個核心工具:一是用于識別基因位置的“導航器”,它可以精準找到某個基因在DNA上的位點;二是用于切割DNA的“剪刀”。DNA被切開后,細胞會迅速啟動修復機制。但就像代碼容易出現bug一樣,DNA自我修復也會失誤。譬如,一個堿基丟失了,這個基因就相當于被敲除了。人們由此也可以借助這個過程實現基因的敲入、替換。

          改寫生命代碼,私人定制育種,因此成為可能。

          從“單點作戰”到“多路包抄”

          以CRISPR-Cas9為代表的基因編輯技術,已廣泛應用于生物育種領域。但過去,一次通常只能編輯單個基因,最多也不過三四個。

          “同時編輯多個基因,容易造成基因組不穩定!闭撐牡谝蛔髡、福建省農科院水稻研究所魏毅東博士說,根據基因的連鎖和交換定律,位于同一條染色體上的不同基因,如果距離太近,就很可能在遺傳時產生連鎖,不利于在后代中產生更多遺傳變異。

          如果能夠實現多基因同時編輯,就能更進一步提高改良效率。福建省農科院水稻研究所的技術創新,解決的就是這個問題。

          “我們選定了12個水稻功能基因,其中4個控制株型和穗型,7個控制穗期,1個控制香味;一部分為正向調控,另一部分為負向調控!备=ㄊ∞r科院水稻研究所所長、研究員張建福說,這12個基因分布在水稻不同的染色體上。也就是說,它們的遺傳距離很遠,不會產生連鎖,編輯后也不會對基因組的整體穩定性造成影響。

          多基因同時編輯成為可能。隨后,科研人員抓緊組裝工具箱——構建一個載體,打包裝入“定位器”和“剪刀”兩個核心工具。在試驗過程中,他們選擇了自主選育的優質秈稻品種作為編輯對象。這個品種本就是水稻中的“優等生”,科研人員將工具箱導入它的愈傷組織。在12個“定位器”的導航下,基因“剪刀”迅速進入水稻細胞,抵達細胞核上的目標位置,一次性將12個基因敲除。到這里,生命“魔剪”的使命就完成了。

          3至5個月后,經歷了基因編輯后的愈傷組織,重新分化長成了一株完整的幼苗。但這還不是我們最終需要的結果。這是因為,單個基因往往不是獨立發揮作用的,它們可能和其他基因相互協同、相互制約,這個過程被稱為基因互作。比如,水稻抽穗期提前了,可能就伴隨著產量降低,二者的關系猶如此起彼伏的蹺蹺板。

          換句話說,12個基因同時被敲除,不一定是最好的結果。有些敲除、有些保留,才可能實現多方共贏。這樣的情形有多少種呢?答案是2的12次方——4096種?蒲腥藛T要做的,是從4096個組合中,找出最優解。于是,他們將基因被編輯過的水稻植株,與未編輯過的品種雜交,再播種雜交種子。這些雜交后代有4096種基因組合?蒲腥藛T觀察其田間表現,從中選出綜合實力最強、最需要的組合。這個工作量看起來十分龐大,但和傳統雜交育種過程動輒要從數萬個組合中挑選比起來,已經算事半功倍了。

          通過這套以多基因編輯為基礎的快速定向改良的育種新技術,福建省農科院水稻研究所已經選育出多個早熟、株葉態好,兼具穩產、抗性、優質表現的育種材料,為后續精準選育突破性水稻新品種奠定了基礎。展望未來,以往只適合在華南稻區栽培的水稻品種,可能得以進入長江中下游稻區;只能作為單季稻生產的品種,可以作為雙季稻生產。

          “基因編輯等現代生物育種技術廣泛應用的背后,是育種理念的創新與突破!睆埥ǜUf,傳統育種手段偏重田間選擇,工作量大,周期漫長,現代育種技術則把選擇提前到了實驗室階段!拔覀儗鹘y育種技術與現代育種技術相結合,有效縮小選擇范圍,顯著提高育種效率!(記者 張輝)

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