轉(zhuǎn)入肥胖基因改造RNA，作物增產(chǎn)50%
為了提高產(chǎn)量，科學(xué)家竟做出這種事……
興坤 發(fā)自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
找到正確的道路，作物增產(chǎn)50%不是夢。
傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，對產(chǎn)量的提升程度有限。為了尋找新的突破，北大研究團隊從動物中做文章，利用動物肥胖基因讓植物“增肥”。
動物的基因在植物里能起到作用的，當然不是脂肪合成?？刂浦竞铣傻幕颍绾喂ぷ鬟€受另外的基因控制。
而這種像司令官一樣指揮別的基因工作的基因，無論是動物還是植物中，下達命令的方式都是相同的。
所以，借動物中的司令官基因來用用，指揮植物基因的工作，加快生產(chǎn)進程，達到突破性提高作物產(chǎn)量的目的。
他們對水稻做了什么
讓植物受動物基因指揮，通俗來講，就是轉(zhuǎn)基因。
轉(zhuǎn)入動物肥胖基因FTO到水稻細胞中，用它來發(fā)揮控制基因表達的作用，以此達到提高產(chǎn)量的目的。
就具體轉(zhuǎn)入過程而言，就是將FTO基因片段搭載于環(huán)狀DNA，通過根癌農(nóng)桿菌侵染植物細胞，進入到植物細胞中。
FTO基因在水稻細胞中表達的蛋白，可以擦除RNA甲基化修飾m6A，并且影響相關(guān)RNA功能表達。
這樣轉(zhuǎn)基因過程后的結(jié)果就是：
水稻單株產(chǎn)量提高到原來的三倍，大田種植轉(zhuǎn)基因水稻獲得1.5倍產(chǎn)量。
△Nipp-未改造株系；FTOmut-導(dǎo)入外源FTO基因但抑制其表達株系；FTO-過表達FTO基因株系
結(jié)果可不可靠，又是另一個值得討論的問題。
單子葉作物水稻，轉(zhuǎn)基因可獲得高產(chǎn)效果。雙子葉作物馬鈴薯，做同樣的轉(zhuǎn)基因處理，也得到了增產(chǎn)50%的成果。
△EM3-未改造株系；FTO-過表達FTO基因株系
除了增產(chǎn)，轉(zhuǎn)基因?qū)λ酒渌誀钜伯a(chǎn)生了影響。
轉(zhuǎn)入的基因促進根系頂端分生組織細胞增殖，提高了根系數(shù)目和根長數(shù)據(jù)。
轉(zhuǎn)基因水稻分蘗數(shù)增加，提高了光合作用效率，獲得了更多生物量積累。
FTO如何發(fā)揮作用
動物肥胖基因FTO在水稻細胞中，如何發(fā)揮控制水稻基因表達的作用？
要探究這個過程，就需要了解FTO蛋白的工作原理，以及相關(guān)的生理過程。
首先了解FTO蛋白的作用對象m6A。
m6A——RNA鏈上腺嘌呤第6位氮原子的甲基化修飾，是存在最多的mRNA修飾方式，在RNA翻譯蛋白質(zhì)過程調(diào)控基因表達。
m6A主要存在于mRNA非翻譯區(qū)，參與mRNA加工過程，并起到翻譯起始、維持穩(wěn)定性等作用。由甲基化轉(zhuǎn)移酶（Writers）、去甲基化酶（Erasers）和甲基化閱讀蛋白（Readers）共同調(diào)控。所有與RNA相關(guān)的功能均受m6A影響。
其次了解FTO在細胞中的作用。
FTO是第一個被發(fā)現(xiàn)的m6A脫甲基酶（Erasers），F(xiàn)TO蛋白擦除RNA鏈上m6A，可以促進染色質(zhì)開放，激活轉(zhuǎn)錄。改變相關(guān)基因表達進程。
FTO介導(dǎo)的去甲基影響細胞生長和繁殖，在哺乳動物中與脂肪發(fā)育密切相關(guān)。在植物中，引入m6A脫甲基酶調(diào)節(jié)m6A水平，同樣可以起到改變植物生長的作用。
轉(zhuǎn)入并成功表達的FTO分別使水稻葉片和根系中約11000、7000個基因表達量增加，激活多個生理通路。
△展示多個與FTO蛋白相關(guān)生理過程中基因的表達量變化
這項技術(shù)的應(yīng)用前景
以上研究內(nèi)容表明，轉(zhuǎn)入FTO蛋白基因?qū)λ井a(chǎn)量的提升取得了突破，該技術(shù)在農(nóng)作物增產(chǎn)方面具有應(yīng)用價值。
FTO基因經(jīng)驗證可以使不同作物均有效提高產(chǎn)量，證明這個方法具有普遍適用價值。對大多數(shù)植物只需要打開“FTO”開關(guān)，即可實現(xiàn)產(chǎn)量的大幅度提升。
FTO對功能基因表達的調(diào)控，不僅增加了產(chǎn)量，也改變了作物根系等農(nóng)藝性狀，提高了耐干旱能力，對特用作物的品種改良提供新思路。
例如，植物改造過后的發(fā)達根系應(yīng)用在防風固沙方面；貧瘠環(huán)境下牧草青飼料等提高生物總量；用于改善土質(zhì)修復(fù)土壤的特用作物，適應(yīng)更惡劣環(huán)境等。
轉(zhuǎn)基因安全性的思考
既然這項技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，那么未來發(fā)展方向就是被迅速推廣，但是它作為轉(zhuǎn)基因技術(shù)，安全性是廣泛應(yīng)用的重要前提。
研究單位何川課題組對此回應(yīng)：“轉(zhuǎn)入基因是人類體內(nèi)常見的FTO蛋白基因，通過對植物RNA表觀修飾進行編輯，開啟了植物高產(chǎn)、高生物量的通路?！?/p>
一方面被轉(zhuǎn)入的外源基因是人體內(nèi)原有的基因，另一方面基因起作用在RNA翻譯蛋白質(zhì)過程，理論上沒有直接參與生物質(zhì)的合成。
同時何川教授也強調(diào)，期待國家出臺針對性審批標準，以推動這項技術(shù)在安全規(guī)范的前提下推廣落地。
研究團隊
該研究主要由北京大學(xué)賈桂芳課題組、美國芝加哥大學(xué)何川課題組、貴州大學(xué)宋寶安課題組開展進行。
2010年，何川首次提出“RNA表觀遺傳學(xué)”，預(yù)測了RNA上可能存在可逆化學(xué)修飾。
2011年，賈桂芳與何川課題組其它成員一起發(fā)現(xiàn)了第一個m6A去修飾酶FTO，首次揭示了RNA甲基化修飾的動態(tài)可逆，開啟了“RNA表觀遺傳學(xué)”新方向。
參考論文:
https://www.nature.com/articles/s41587-021-00982-9
參考鏈接:
https://phys.org/news/2021-07-rna-breakthrough-crops-potatoes-rice.html
相關(guān)閱讀
