美国建立可同时实现植物基因编辑和基因表观修饰的平台

世界农化网中文网报道： 十年前，一项名为 CRISPR-CAS9的新技术使科学家能够改变生物体的遗传密码。尽管它具有革命性，但该工具也有其局限性。就像第一款只能执行单项功能的手机一样，最初的 CRISPR 方法只能执行一个功能：删除或替换基因序列中的基因。CRISPR 的后期迭代被开发用于另一个功能，允许科学家通过打开或关闭某些表观修饰基因来改变另外一些基因的表达，而无需将它们从基因组中删除。但是之前，这些功能往往只能在植物中独立执行。

目前，马里兰大学农业与自然资源学院的科学家们开发了 CRISPR-Combo工具，这是一种在植物中编辑多个基因，同时通过表观修饰改变其他基因表达的方法。这种新工具将使基因工程组合能够协同工作，以增强功能并改善新作物的育种效率。这项新研究2022 年5月20日在线发表在《自然植物》杂志上。

一次操作多个基因的好处可能远远超过任何单独操作的好处。例如，想象一场瘟疫肆虐麦田，威胁农民生计和粮食安全。如果科学家们可以从小麦中去除一个使其易受枯萎病影响的基因，同时打开缩短植物生命周期并增加作物产量的基因，他们就可以在病害造成较大损失之前迅速生产出抗枯萎病小麦。

基因编辑新工具可提高育种效率（图片来源：plantcelltechnology.com）

第一步：概念验证

齐一平团队之前开发了新的CRISPR方法来调节植物中的基因表达，可同时编辑多个基因。但是为了开发CRISPR-Combo，他们必须确定他们可以同时执行这两种基因工程功能而不会产生任何负面影响。在这篇新论文中，他们在番茄和水稻细胞进行了概念验证，证明可成功敲除基因A并上调或激活基因 B，而不会发生意外，如相反地敲除基因 B 或上调基因 A。

随后，齐一平和他的同事在模式植物拟南芥上测试了 CRISPR-Combo。研究人员编辑了一个基因，使植物对除草剂更具抵抗力，同时激活一个导致早期开花的基因，从而使其更快地产生种子。结果，这种抗除草剂的拟南芥在一年内产生了八代，而普通拟南芥只有四代。

更高效的工程

在他们的第三个实验中，该团队展示了 CRISPR-Combo 如何使用杨树的组织培养物提高植物育种的效率。植物一般可从生长在土壤中的单根茎中再长出新的根和叶，因此在植物育种中通常使用组织培养物而不是种子来繁育新品种。科学家对那些能长成完整植物的干细胞进行基因改造，当这些植物成熟并产生种子时，这些种子即携带有经过改造的基因。

一些植物比其他植物更擅长从组织培养中再生，而有一些植物组织再生效率仅为1%，这成为这些植物进行基因工程操作的最大瓶颈。

齐一平和他的团队首先编辑杨树细胞中的一些性状基因，然后激活三个促进植物组织再生的基因，结果显示该方法可成功解决杨树的组织再生瓶颈问题，并显著提高基因工程的效率。

无激素捷径

目前，从组织培养物中种植转基因植物需要添加生长激素，从而激活生长促进基因。研究小组通过使用 CRISPR-Combo 直接激活这些基因来缩短水稻的再生过程，并不需要在组织培养物补充激素。齐和他的同事发现，用他们的方法培养的组织培养物比用激素培养的组织表达更多的编辑基因，显示更高的基因编辑效率。

齐一平团队已经证明他们的 CRISPR-Combo 方法可在多种植物中用于不同用途，他们正在柑橘、胡萝卜和土豆中进行实验，以测试其在水果、蔬菜和主食作物中的可行性。他们还计划利用CRISPR-Combo方法开发抗氧化剂含量增加的红米和具有更高营养成分的抗除草剂黄金大米等产品。

来源：国科农研院

作者：国科团队 汤波