Cell：利用CRISPR/Cas9打破作物產量限制

在一項新的研究中，來自美國冷泉港實驗室（CSHL）和馬薩諸塞大學阿默斯特分校的研究人員利用基因組編輯的仍然未充分開啟的力量改善農作物。以西紅柿為例，他們利用CRISPR/Cas9技術快速地產生這種植物的變異株，這些植物變異株廣泛地、持續地表現出三種獨立的農業上重要的性狀：果實大小、分枝結構（branching architecture）和整體植物形狀。它們都是決定著植物產量的主要因素。這種方法適用於所有的食物作物、飼料作物和燃料作用，包括水稻、玉米、高粱和小麥。相關研究結果於2017年9月14日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「Engineering Quantitative Trait Variation for Crop Improvement by Genome Editing」。（歡迎關注Science微信號：bioeg_cn）

論文通信作者、CSHL教授Zachary Lippman說，「隨著人口的增加，當前的作物增產率並不能滿足地球的未來農業需求。最嚴重的限制之一是大自然並沒有給育種者提供足夠多的遺傳變異用於研究，特別是針對主要的能夠涉及幾十種基因的產量性狀。我們的實驗室如今利用CRISPR技術產生新的遺傳變異，這能夠加快作物改良，同時讓它的結果更可預測。」

這些實驗涉及利用CRISPR/Cas9「剪刀」在西紅柿的三個被稱作啟動子的基因組序列上進行多次切割，其中啟動子是相關基因附近的調節性DNA區域，有助調節這些「產量」基因在生長期間在何時、何處和在多大的水平上是有活性的。這些研究人員以這種方式在每個調節性區域中產生多組突變，從而能夠誘導這三種目標性狀中的每一種發生廣泛的變化。

Lippman解釋道，「我們利用每種性狀證實利用CRISPR/Cas9能夠產生新的遺傳變異和性狀變異，從而能夠讓育種者根據情況對植物進行量身定做。如今每種性狀能夠以一種調光開關控制燈泡的方式加以控制。」

通過利用CRISPR/Cas9讓調節序列（即相關「產量」基因的啟動子而不是這些基因本身）發生突變，這些研究人員發現他們能夠實現對數量性狀（quantitative traits）的更加微小的影響。鑒於這些遺傳變異為改善產量性狀提供的靈活性，微調基因表達而不是剔除或滅活它們編碼的蛋白最可能有利於農業商業化。

Lippman說，「傳統育種涉及花費大量的時間和精力來將相關基因的有益變異轉變為最佳的品種，而且必須每年持續地改良這些品種。我們的方法在有利於育種的其他的自然突變環境下直接產生和選擇控制基因活性的最理想變異體，從而有助於繞過這種限制。我們如今能夠利用天然的DNA開展研究，增強大自然提供的選擇力量，我們認為這能夠有助於打破產量限制。」

每個突變區域都會產生數量性狀位點（quantitative trait loci, QTL）。在任何一種給定的植物中，QTL都是在上千年的進化中自然產生的，結果就是自發性突變導致產量性狀產生微小變化。幾個世紀以來，尋找和使用大自然提供的QTL一直是植物育種者的目標，但是最有價值的QTL，即導致性狀產生微小變化的那些QTL，是比較罕見的。Lippman和他的團隊如今證實能夠將CRISPR產生的QTL與現存的QTL結合起來，產生遺傳變異的「工具箱」，而且這些遺傳變異的數量超過自然界中發現的數量。

參考資料：

Daniel Rodríguez-Leal, Zachary H. Lemmon, Jarrett Man et al. Engineering Quantitative Trait Variation for Crop Improvement by Genome Editing. Cell, Published online: September 14, 2017, doi:10.1016/j.cell.2017.08.030

來源：生物谷

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