转入肥胖基因改造RNA,作物增产50%

为了提高产量,科学家竟做出这种事……

兴坤 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

找到正确的道路,作物增产50%不是梦。

传统的农业生产方式,对产量的提升程度有限。为了寻找新的突破,北大研究团队从动物中做文章,利用动物肥胖基因让植物“增肥”。

动物的基因在植物里能起到作用的,当然不是脂肪合成。控制脂肪合成的基因,要如何工作还受另外的基因控制。

而这种像司令官一样指挥别的基因工作的基因,无论是动物还是植物中,下达命令的方式都是相同的。

所以,借动物中的司令官基因来用用,指挥植物基因的工作,加快生产进程,达到突破性提高作物产量的目的。

他们对水稻做了什么

让植物受动物基因指挥,通俗来讲,就是转基因。

转入动物肥胖基因FTO到水稻细胞中,用它来发挥控制基因表达的作用,以此达到提高产量的目的。

就具体转入过程而言,就是将FTO基因片段搭载于环状DNA,通过根癌农杆菌侵染植物细胞,进入到植物细胞中。

FTO基因在水稻细胞中表达的蛋白,可以擦除RNA甲基化修饰m6A,并且影响相关RNA功能表达。

这样转基因过程后的结果就是:

水稻单株产量提高到原来的三倍,大田种植转基因水稻获得1.5倍产量。

图片

Nipp-未改造株系;FTOmut-导入外源FTO基因但抑制其表达株系;FTO-过表达FTO基因株系

结果可不可靠,又是另一个值得讨论的问题。

单子叶作物水稻,转基因可获得高产效果。双子叶作物马铃薯,做同样的转基因处理,也得到了增产50%的成果。

图片

EM3-未改造株系;FTO-过表达FTO基因株系

除了增产,转基因对水稻其他性状也产生了影响。

转入的基因促进根系顶端分生组织细胞增殖,提高了根系数目和根长数据。

图片

转基因水稻分蘖数增加,提高了光合作用效率,获得了更多生物量积累。

图片

FTO如何发挥作用

动物肥胖基因FTO在水稻细胞中,如何发挥控制水稻基因表达的作用?

要探究这个过程,就需要了解FTO蛋白的工作原理,以及相关的生理过程。

首先了解FTO蛋白的作用对象m6A。

m6A——RNA链上腺嘌呤第6位氮原子的甲基化修饰,是存在最多的mRNA修饰方式,在RNA翻译蛋白质过程调控基因表达。图片
m6A主要存在于mRNA非翻译区,参与mRNA加工过程,并起到翻译起始、维持稳定性等作用。由甲基化转移酶(Writers)、去甲基化酶(Erasers)和甲基化阅读蛋白(Readers)共同调控。所有与RNA相关的功能均受m6A影响。

其次了解FTO在细胞中的作用。

FTO是第一个被发现的m6A脱甲基酶(Erasers),FTO蛋白擦除RNA链上m6A,可以促进染色质开放,激活转录。改变相关基因表达进程。

FTO介导的去甲基影响细胞生长和繁殖,在哺乳动物中与脂肪发育密切相关。在植物中,引入m6A脱甲基酶调节m6A水平,同样可以起到改变植物生长的作用。

转入并成功表达的FTO分别使水稻叶片和根系中约11000、7000个基因表达量增加,激活多个生理通路。

图片

展示多个与FTO蛋白相关生理过程中基因的表达量变化

这项技术的应用前景

以上研究内容表明,转入FTO蛋白基因对水稻产量的提升取得了突破,该技术在农作物增产方面具有应用价值。

FTO基因经验证可以使不同作物均有效提高产量,证明这个方法具有普遍适用价值。对大多数植物只需要打开“FTO”开关,即可实现产量的大幅度提升。

FTO对功能基因表达的调控,不仅增加了产量,也改变了作物根系等农艺性状,提高了耐干旱能力,对特用作物的品种改良提供新思路。

例如,植物改造过后的发达根系应用在防风固沙方面;贫瘠环境下牧草青饲料等提高生物总量;用于改善土质修复土壤的特用作物,适应更恶劣环境等。

转基因安全性的思考

既然这项技术应用前景广阔,那么未来发展方向就是被迅速推广,但是它作为转基因技术,安全性是广泛应用的重要前提。

研究单位何川课题组对此回应:“转入基因是人类体内常见的FTO蛋白基因,通过对植物RNA表观修饰进行编辑,开启了植物高产、高生物量的通路。”

一方面被转入的外源基因是人体内原有的基因,另一方面基因起作用在RNA翻译蛋白质过程,理论上没有直接参与生物质的合成。

同时何川教授也强调,期待国家出台针对性审批标准,以推动这项技术在安全规范的前提下推广落地。

研究团队

该研究主要由北京大学贾桂芳课题组、美国芝加哥大学何川课题组、贵州大学宋宝安课题组开展进行。

图片

2010年,何川首次提出“RNA表观遗传学”,预测了RNA上可能存在可逆化学修饰。

2011年,贾桂芳与何川课题组其它成员一起发现了第一个m6A去修饰酶FTO,首次揭示了RNA甲基化修饰的动态可逆,开启了“RNA表观遗传学”新方向。

参考论文:
https://www.nature.com/articles/s41587-021-00982-9

参考链接:
https://phys.org/news/2021-07-rna-breakthrough-crops-potatoes-rice.html

版权所有,未经授权不得以任何形式转载及使用,违者必究。

相关阅读