一种新的大规模基因改造方法使揭示植物中复制基因的作用和特性成为可能
在 CRISPR 技术的帮助下，这是第一次：
一种新的大规模基因改造方法使揭示植物中复制基因的作用和特性成为可能
预计这一发展将彻底改变农作物的改良方式，包括有针对性的改变，这些改变将改善诸如提高产量或抗旱和抗虫害等特性。
据负责这一突破的特拉维夫大学研究人员称：“新的发展能够在基因组规模上进行可控和有针对性的作物改良。我们已经将我们的方法成功地应用于水稻和番茄植物，我们打算将其应用于其他庄稼也是。”
特拉维夫大学的研究人员在世界上首次成功开发出一种基因组规模的技术，可以揭示迄今为止被功能冗余隐藏的基因和性状在植物中的作用。研究人员指出，自农业革命以来，人类一直被用来通过创造遗传多样性来改良用于农业目的的植物品种。但直到最近的发展，才有可能检查单个基因的功能，这些基因仅占基因组的 20%。对于其余 80% 的基因组，由按家族分组的基因组成，没有有效的方法在整个基因组的大规模上确定它们在植物中的作用。
由于这一独特的发展，研究人员团队设法分离并识别出数十个迄今为止一直被忽视的新特征。这一发展有望彻底改变农作物的改良方式，因为它可以应用于大多数作物和农业特性，例如增加产量和抗旱或抗虫害。
该研究由博士后胡扬杰博士在特拉维夫大学 Wise 生命科学学院植物科学与食品安全学院的 Eilon Shani 教授和 Itay Mayrose 教授的指导下完成。来自法国、丹麦和瑞士的科学家也参与了这项研究。该研究发表在著名的《自然植物》杂志上。
作为研究的一部分，研究人员团队使用创新的基因编辑技术“CRISPR”以及生物信息学和分子遗传学领域的方法，开发了一种新方法来定位负责植物特定性状的基因。
据沙尼教授介绍：“几千年来，自农业革命以来，人类一直在通过促进遗传变异来改良不同的农业植物品种。但直到几年前，还不可能有针对性地进行基因干预，但只是为了识别和促进随机创造的理想性状。基因编辑技术的发展现在可以在大量植物中进行精确的改变。”
研究人员解释说，尽管 CRISPR 等基因编辑技术得到了发展，但仍存在一些限制其在农业中应用的挑战。其中之一是需要尽可能准确地确定植物基因组中的哪些基因负责培养特定的所需性状。应对这一挑战的公认方法是产生突变，即以不同方式修改基因，然后检查植物性状因 DNA 突变而发生的变化，并从中了解植物的功能基因。
因此，例如，如果一种植物长出了更甜的果实，就可以得出结论，改变的基因决定了果实的甜度。这种策略已经使用了几十年，非常成功，但它也有一个根本问题：番茄或水稻等普通植物大约有 30,000 个基因，但其中约 80% 不是单独工作，而是成群结队的相似基因。因此，如果来自某个基因家族的单个基因发生突变，则很有可能来自同一家族的另一个基因(实际上是与突变基因非常相似的副本)会代替突变基因掩盖表型。由于这种称为遗传冗余的现象，很难在植物本身产生变化，也很难确定基因的功能及其与特定性状的联系。
目前的研究试图通过使用称为“CRISPR”的创新基因编辑方法找到解决遗传冗余问题的方法。Mayrose 教授解释说：“CRISPR 方法基于一种在细菌中天然存在的称为 Cas9 的酶，其作用是切割外来 DNA 序列。该酶可以与 sgRNA 序列相关联，从而识别出该酶需要切割的 DNA 序列. 这种基因编辑方法允许我们设计不同的 sgRNA 序列，使 Cas9 能够切割几乎任何我们想要改变的基因。我们想应用这种技术来提高对植物产生突变的控制，以达到农业改良的目的，特别是克服遗传冗余造成的共同限制。”
在第一阶段，生物信息学研究是在计算机上进行的，与该领域的大多数研究不同，该研究最初涵盖了整个基因组。研究人员选择专注于拟南芥植物，在许多研究中被用作模型，有大约 30,000 个基因。首先，他们识别并分离出大约 8,000 个单独的基因，这些基因没有家族成员，因此在基因组中没有拷贝。剩余的 22,000 个基因被分成家族，并为每个家族适当的 sgRNA 序列进行计算设计。每个 sgRNA 序列都旨在将 Cas9 切割酶引导至具有整个家族特征的特定基因序列，目的是在所有家族成员中产生突变，使这些基因不再相互重叠。通过这种方式构建了一个总计约 59,000 条 sgRNA 序列的文库，其中每个 sgRNA 本身能够同时修改每个基因家族中的 2-10 个基因，从而有效地消除了遗传冗余现象。
此外，根据基因的假定作用(例如编码酶、受体、转录因子等)，sgRNA 序列被分成十个子库，每个子库大约有 6,000 个 sgRNA 序列。据研究人员称，建立这些库使他们能够集中并优化对产生所需性状的基因的搜索，到目前为止，这种搜索在很大程度上是随机的。
下一步，研究人员从计算机转移到实验室。在这里，他们生成了通过计算方法设计的所有 59,000 个 sgRNA 序列，并结合切割酶将它们设计成新的质粒文库(即环状 DNA 片段)。然后，研究人员生成了数千株包含这些文库的新植物——每株植物都被植入了针对特定基因家族的单个 sgRNA 序列。
研究人员观察了基因组修饰后植物表现出的特征，以及在特定植物中观察到有趣的表型时的特征。根据插入其中的 sgRNA 序列，很容易知道哪些基因导致了这种变化。此外，通过对已识别基因的 DNA 测序，可以确定导致变化的突变的性质及其对植物新特性的贡献。通过这种方式，绘制了许多新的性状，这些性状直到现在由于遗传冗余而被阻止。具体来说，研究人员确定了特定的蛋白质，这些蛋白质包含与激素细胞分裂素的运输相关的机制，这对于植物的最佳发育至关重要。
Shani 教授总结道：“我们开发的新方法有望对理解植物过程的基础研究有很大帮助，但除此之外，它对农业也具有巨大意义：它可以高效、准确地揭示植物的资源库。负责我们寻求改善的性状的基因——例如抗旱、抗病虫害或提高产量。我们相信这是农业的未来：大规模有控制和有针对性的作物改良。今天我们正在应用该方法我们开发的水稻和番茄植物取得了巨大成功，我们也打算将其应用于其他作物。”
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