作者:宗华 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/11/8 14:41:14
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科学家寻求更好方法培育定制化作物
基因编辑技术的发展使其成为可能

 

通过利用更好的基因编辑技术,农作物产量和用水效率都能得以改善。图片来源:AFP/Getty

当来自全球的作物工程师日前聚集在英国伦敦时,他们的研究目标颇为宏大:培育更高效利用水分的水稻、需要更少肥料的谷物以及由增强光合作用提供动力的超高产木薯。

作物工程联盟研讨会的150名与会者带来了各种想法以及分子工具。多亏了合成生物学和自动化技术的发展,若干项目已拥有1000多个经过改造的基因和其他分子工具,并且准备在研究人员选择的作物中接受测试。不过,这正是他们经常碰壁的地方。用于培育拥有定制基因组(这一过程被称为遗传转化)植物的过时方法烦琐、不可靠且耗费时间。

被问及该领域存在哪些障碍,诺福克约翰伊恩斯中心植物发育生物学家Giles Oldroyd有一个现成的答案:“最大的问题是改善植物遗传转化。”

“我们所有人都面临着输送问题。”美国明尼苏达大学植物生物学家Dan Voytas表示,“我们拥有强大的试剂,但你如何将它们输送到细胞中?”

引发广泛讨论的是持续了几十年的难题:很难修改植物基因组然后利用一些转化细胞重新产生全新的作物。诸如CRISPR-Cas9等基因组编辑技术让人们看到了复杂作物工程的希望,而这曾经是不可思议的事情。不过,当研究人员遇到原有的障碍时,现实让他们变得更加沮丧。

美国国家科学基金会(NSF)已意识到这一挫折,并在9月28日宣布将资助针对更好转化方法开展的研究。这是一个新的植物基因组研究项目关注的4个焦点中的一个。整个项目将收到共计1500万美元的资助。

“每个人都会同意,这真的是基因组工程的瓶颈。”去年11月NSF关于植物转化的研讨会共同组织者、田纳西大学植物生物学家Neal Stewart表示。

利用可将基因添加到植物基因组中的细菌,诸如植物界的“小白鼠”——拟南芥等一些植物很容易被转化。研究人员将想要测试的基因插到农杆菌中,然后“诱骗”细菌感染植物的生殖细胞。当作物随后产生后代时,其中一些会表达新的基因。

不过,这对很多作物不起作用,而且利用农杆菌会引发诸如美国农业部等政府机构的额外审查,因为它被视为一种植物害虫。作为替代方案,研究人员可利用“基因枪”向植物细胞中发射DNA包被的黄金珠。随后,这些细胞“沐浴”在生长激素中并被“诱骗”重新产生完整的植株。诸如玉米等一些植物很容易屈从于这种方法,小麦、高粱等其他作物则不行。

对于一些“顽固”的作物来说,重新产生全新的植株,需要持续数月艰苦的细胞培养工作(优化生长条件和激素浓度)。成功需要的条件不仅依据每种作物而不同,在相同的植物物种之间也不一样。

来自康纳尔大学的Joyce van Eck是该领域的专家。在她看来,植物转化专家凤毛麟角。“我们所做的事情包含很多艺术。”她在伦敦研讨会上表示,“拥有这种训练的专家很难找到。”再加上对新方法的资助匮乏,研究人员不得不依靠用了几十年的旧技术。

不过,随着对替代方法的寻找正在升温,这一切可能会发生改变。Stewart和合作者已研制出和用手工相比能更加快速、准确地执行原生质体转化技术的机器人。该方法利用酶消化细胞壁,从而使研究人员更容易引入新基因。不过,重新产生完整植株的问题仍然存在。研究人员利用一种没有机器人的类似方法,在包括生菜和水稻在内的多种植物中进行了CRISPR-Cas9基因编辑。

细胞培养步骤仍然困难。Stewart介绍说,他的实验室中有人用了两年时间转化一种被用于生物燃料研究的高秆草,但最终还是以失败告终。不过,酶的成本不断下降使研究人员得以开展更多试验,机器人学则能提高生产能力。Stewart是如此迷恋他的创造物,以至于为其创作了一首歌曲。“现在,它是我们的孩子。”Stewart说。(宗华编译)

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