作者:李晨 来源:中国科学报 发布时间:2021/6/14 16:20:36
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地毯式筛选:引导编辑实现水稻定向进化

 

 抗除草剂水稻新种质     魏鹏程供图

一年多以前,可实现基因组所有12种单碱基自由转换的引导编辑技术诞生。6月10日,中国科学家在《自然—植物》发表最新研究成果,利用引导编辑技术首次在水稻中实现定向进化,并创制了可供育种的新种质。

“我们的工作证明人工进化相对于自然选择存在一定优势,这可以让作物改良的进程大大加快。”论文通讯作者、安徽农业科学院研究员魏鹏程在接受《中国科学报》采访时说。

中国农业科学院中国水稻研究所研究员王克剑告诉《中国科学报》,相较于CRISPR靶向突变和单碱基编辑技术,引导编辑技术提供了关键功能位点的人工进化新方法。

 

穷尽64种组合,实现饱和突变筛选

基因组中的碱基有四种。2013年出现的基因编辑技术可以实现碱基之间的转换。2017年,科学家实现了高效的T转换为C,A转换为G。2019年10月又实现了四种碱基之间的任意转换,也就是引导编辑技术。

一项新技术在农业领域中走向应用要花多长时间?

一年零8个月,引导编辑技术完成了在哺乳动物中开发成功,在植物中成功建立并优化,在水稻中实现功能位点的全部20种氨基酸编辑并创制新种质。

“早期的基因编辑方法(靶向突变)只能在某一个片段上产生一个突变,但这种突变是什么样子的没有办法控制。也就是说能控制突变的位置,而不能控制突变的形式。”魏鹏程说,其他传统理化诱变等技术也无法控制突变的形式。

而且,靶向突变往往插入或者删掉一个片段,造成的是功能的破坏。“但生产上需要的不是这种功能的破坏,而是把相应位点的功能调高一点或者调低一点,甚至创造新的功能。”魏鹏程说,利用早期的单碱基编辑技术达不到这个目标。

科学家一直想在一个基因位点上尝试所有可能的突变形式,也就是试试所有氨基酸会产生什么样的表型。

论文第一作者许蓉芳介绍,3个碱基组成1个氨基酸,而4种碱基的随机排列有64种组合,这些组合对应所有20种氨基酸。在他们的研究中,利用引导编辑技术,可以在特定位点上实现所有64种碱基组合的转换,即完成单个氨基酸位点的饱和突变。

“体外饱和突变筛选是目前研究蛋白功能的重要手段,但在真核生物体内实现关键氨基酸高频替换,尚存在较大技术难度。”王克剑说,这项研究成功地在水稻中建立了可实现体内特定位点氨基酸饱和替换突变的新型技术策略,可以获得不同的表型,解决了上述技术难题。

 

创制自然界中不存在的新位点

遗传变异是作物育种基础。魏鹏程介绍,尽管近年来功能基因组研究为作物分子育种提供了大量主效改良位点/基因;但由于传统诱变靶向性不足、突变随机性较大等技术问题,在多数情况下,挖掘和鉴定这些主效基因最适于生产的等位型仍较为困难。

在研究水稻抗除草剂基因的过程中,有很多突变是天然产生的。“但我们不知道这些天然突变是不是最适合的突变。”魏鹏程解释说,比如,一个突变可以让水稻具有抗除草剂性状,但也可能同时造成了生长缓慢,甚至产量下降。

科学家猜测,天然突变可能无法让一个基因完全发挥优势。魏鹏程说,通过饱和突变,也就是在某些关键位点逐个尝试不同的氨基酸替换突变,然后测试不同等位型的效果好坏与否,有可能找到最适合某一作物某一位点的突变。

“如何在体内实现重要基因关键位点的饱和氨基酸替换突变是该类研究的难点问题。”魏鹏程说。

许蓉芳告诉《中国科学报》,选择水稻抗除草剂基因OsACC1作为研究对象,主要是基于该基因的功能,OsACC1基因是除草剂关键应答基因,它可以通过抗性筛选实验来分辨不同表型。

通过大量实验,他们发现抗除草剂基因具有巨大的潜力。许蓉芳介绍,通过在6个已报道的潜在抗性位点上开展方法学研究,他们共发现16种不同类型的氨基酸替换突变可能与除草剂抗性获得密切相关。其中有3个位点为植物中首次鉴定。

“引导编辑技术具有将目标氨基酸突变为其他19种氨基酸的能力,从而提供了关键功能位点的人工进化新方法。”王克剑说,这实际上加快了进化速度。

 

人工进化更有优势

这实际上是一种定向进化。魏鹏程解释说,定向进化是实验室中在分子水平的模拟自然进化过程。也就是根据需求,针对目的蛋白人为制造大量的突变并给予选择压力,筛选出具有期望特征的变异型,进而解决生产问题。

“我们筛选到了自然界中不存在的,甚至通过理化诱变和基因编辑也难以创制出来的位点。”魏鹏程说,这证明人工进化方法相对于自然选择的确存在优势,也大大拓宽了种质创制的思路。

“研究人员利用这项技术成功筛选到多个水稻抗除草剂的新位点,显出巨大应用价值。”王克剑说,该研究不仅建立了作物基因定向进化的新方法,也为充分挖掘重要基因新等位型,突破现有种质资源限制,根据生产需求人工“定制”优异性状提供了新思路,具有重要的借鉴意义。

许蓉芳告诉《中国科学报》,新筛选到的三个位点在目前的实验中表现出较好的除草剂抗性,后续还要进一步考察其抗除草剂的同时是否能够保持较好的农艺性状。

“现有的引导编辑系统的效率还比较低,选择基因位点时需要其他的一些辅助手段,如抗性筛选等,来减少工作量。随着引导编辑系统效率的提高,这一方法将可用于更多其他功能基因的定向进化。”许蓉芳说。

相较于其他方法,“通过人工进化,我们筛选到的这些水稻的内源位点,有可能很快就能直接用在生产上,来帮助实现水稻绿色生产模式。”魏鹏程说。他们已经对新发现的基因位点进行了知识产权保护。魏鹏程相信,随着研究的深入和应用的拓展,未来将有可能应用到农业实践中。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-021-00942-w

 
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