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      今年獲諾獎(jiǎng)的基因剪刀將“剪”出香味四溢大米

      2021-01-11 07:44:36張?zhí)锟?/span>中國(guó)大百科全書(shū)出版社
      中國(guó)農(nóng)村科技 2020年10期
      關(guān)鍵詞:香稻香米稻米

      文/張?zhí)锟?中國(guó)大百科全書(shū)出版社

      2020年10月7日,瑞典諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)宣布,將2020年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)加利福尼亞大學(xué)教授詹妮弗?杜德納(Jennifer Doudna)和現(xiàn)在德國(guó)馬克斯?普朗克感染生物學(xué)研究所工作的法國(guó)教授艾曼紐爾?卡彭特(Emmanuelle Charpentier),以表彰她們發(fā)明了基因修飾方法CRISPR-Cas9。

      CRISPR-Cas9因何獲諾獎(jiǎng)

      基因修飾方法,被人們通俗地稱為基因剪刀。

      比較而言,CRISPR-Cas9是一種迄今比較精確而且切割速度較快的基因剪刀。利用這把剪刀,人們可對(duì)動(dòng)物、植物和微生物的DNA進(jìn)行有目的的編輯加工(剪切、刪除、位移和增加等),從而治療疾病尤其是遺傳??;人們還可獲得想要的作物和生物產(chǎn)品。

      CRISPR的全稱為“規(guī)律成簇間隔短回文重復(fù)(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)”。而Cas是Caspase的簡(jiǎn)稱,其全稱是“含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶”,是一組蛋白酶,Cas9是其中之一。此外,與CRISPR一起發(fā)揮功能的還有其他酶,如核酸酶蛋白Cpf1。由此CRISPR也可稱為CRISPR/Cas系統(tǒng),包括CRISPR/Cas9、CRISPR/Cpf1、CRISPR/C2c1和CRISPR/C2c2等,它們都是基因剪刀,但應(yīng)用最多的是CRISPR/Cas9。

      基因剪刀為何瞄向香米

      以CRISPR-Cas9為代表的基因剪刀,在農(nóng)業(yè)上能夠創(chuàng)造更多滿足人類生存和消費(fèi)需求的新產(chǎn)品,其中就有多種多樣的水稻產(chǎn)品。現(xiàn)在,全球水稻種植面積已達(dá)23.97億畝,有113個(gè)國(guó)家種植,是全球一半以上人口(38億人)賴以生存的基本食糧,也是大多數(shù)中國(guó)人的基本食糧。而且,全球水稻90%生產(chǎn)于亞洲。

      以袁隆平為代表的科學(xué)家創(chuàng)造的高產(chǎn)型水稻已基本能滿足人們對(duì)稻米的飲食需求,由此也產(chǎn)生了吃上營(yíng)養(yǎng)更高、味道更好的高質(zhì)量稻米的消費(fèi)需求。其中,香稻就是最能吸引消費(fèi)者的一種水稻品種。

      作為水稻家族中的特殊成員,香稻栽培歷史相當(dāng)悠久,世界上各水稻生產(chǎn)國(guó)或地區(qū)幾乎都有獨(dú)特的香稻品種。國(guó)際市場(chǎng)上著名的香米品種主要有泰國(guó)香米(Khao Dawk Mali 105)、巴基斯坦香米(Basmati)、印度香米(Jccrakasala)、印尼香米(Scratns Malam)、菲律賓香米(Milagrosa)、美國(guó)香米(Della)等。

      中國(guó)同樣有香米,而且有很豐富的香稻資源,諸如湖南的江永香米、山東的曲阜香稻、陜西的洋縣香米、廣西的靖西香糯、廣東的增城絲苗香米、浙江的龍泉香稻和福建的過(guò)山香米等。然而世界各地的香米都表現(xiàn)出一種特點(diǎn),即只在一個(gè)特定地區(qū)產(chǎn)出,其生態(tài)適應(yīng)范圍窄、地域性很強(qiáng),因而難以滿足更多人的消費(fèi)需求。

      巴基斯坦香稻Basmati370引種到菲律賓種植后,香味會(huì)明顯減少。中國(guó)湖南的江永香米產(chǎn)地只局限于江永縣源口鄉(xiāng)特定的幾十畝稻田,如果移栽到其他地方,不但產(chǎn)量低,香味也會(huì)消失。此外,山東曲阜香稻僅適合在城關(guān)、息陬一帶種植,移植到其他地方也會(huì)失去香味。

      研究人員認(rèn)為,這與香稻的遺傳基因和生境相關(guān),后者主要指栽培過(guò)程中土壤、氣候等生態(tài)條件,因此香稻是香味基因和環(huán)境相互作用的結(jié)果。為了提高香米產(chǎn)量,需要在水稻遺傳基因和生境方面創(chuàng)造條件。現(xiàn)在,以CRISPR/Cas9為主的基因剪刀不僅可在遺傳基因上增強(qiáng)香味基因,還可對(duì)普通水稻增添香味基因,從而可能生產(chǎn)出更多香稻,讓人們吃上香噴噴的大米。

      早有研究發(fā)現(xiàn),2-乙酰-1-吡咯啉(2-Acetyl-1-Pyrroline,2-AP)是香稻香味特征化合物和主要香氣的貢獻(xiàn)物,它的含量不同決定了稻米的香味有所不同,因?yàn)?-AP的含量在不同香米品種間存在差異,當(dāng)然更是多于普通稻米中的含量。進(jìn)一步的研究還證實(shí),巴斯馬蒂香型、茉莉香型等不同香味類型香稻中香氣的主要成分均為2-AP。因此,針對(duì)2-AP的基因改造就成為研究重點(diǎn),而這就需要基因剪刀CRISPR/Cas9來(lái)幫助。

      同時(shí),研究還發(fā)現(xiàn),2-AP受到其他作物基因抑制,其中主要的就是BADH2,它是編碼甜菜堿醛脫氫酶的基因,但是會(huì)抑制水稻的香味基因2-AP。研究人員發(fā)現(xiàn),完整的全長(zhǎng)BADH2蛋白(503個(gè)殘基),僅出現(xiàn)在無(wú)香味的轉(zhuǎn)基因品系和水稻品種中。而且,在香米品種中轉(zhuǎn)入BADH2基因,香米稻中的2-AP含量會(huì)顯著降低,香氣損失,這證明BADH2是控制米香的主效基因。

      由此證明,BADH2編碼的全長(zhǎng)BADH2蛋白可抑制2-AP的生物合成,從而使水稻變得沒(méi)有香味。后來(lái)的研究還發(fā)現(xiàn),系由BADH2基因中8bp堿基缺失而使其原有功能喪失,導(dǎo)致2-AP在水稻中大量積累從而產(chǎn)生香味,這或許就是香稻和普通水稻在遺傳基因和基因表達(dá)上的重要原因。

      CRISPR/Cas9怎樣“剪”出香米

      過(guò)去香米品種的培育,是利用雜交方式將香米基因轉(zhuǎn)入普通稻米中,盡管可通過(guò)分子標(biāo)記進(jìn)行輔助選擇,但這個(gè)過(guò)程比較復(fù)雜,且周期較長(zhǎng)。后來(lái),比較有效的方式是利用基因剪刀切割或敲除BADH2基因,使其不再抑制香米的香味基因2-AP,讓香米產(chǎn)生更多的香味,而且把香味基因2-AP轉(zhuǎn)入普通水稻中,也可讓普通稻米產(chǎn)生香味,成為香米。

      既往研究人員已在利用另一種基因剪刀,轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶(TALEN),敲除水稻BADH2,以使水稻獲得香味。但是,這種基因剪刀需要依賴于上下游序列,脫靶率高,且具有細(xì)胞毒性,因而改造香米和創(chuàng)造香米的效果并不是很好。

      現(xiàn)在,研究人員采用更高效和更準(zhǔn)確的CRISPR/Cas9基因剪刀,能在水稻活細(xì)胞中更有效、更便捷地“編輯”香米基因以及其他基因。利用CRISPR/Cas9,對(duì)蠟質(zhì)基因(Wx)、BADH2兩個(gè)基因進(jìn)行切割或?qū)е缕渫蛔儯ㄇ贸鼴ADH2中的8bp堿基),可解除其對(duì)香味基因2-AP的抑制,從而增加2-AP的積累和含量,同時(shí)產(chǎn)生較低直鏈淀粉含量(13%~18%)的營(yíng)養(yǎng)性較高的大米。

      直鏈淀粉(Amylose, AM)和支鏈淀粉(Amylpectin, AP),是稻米淀粉的兩種類型,二者組成比例決定了稻米的食用品質(zhì)和加工品質(zhì)?,F(xiàn)在,也有研究人員采用CRISPR/Cas9基因剪刀敲除水稻蠟質(zhì)基因Wx,成功地將突變體水稻的直鏈含量由14.6%降至2.6%,獲得糯性稻米,成為更有營(yíng)養(yǎng)的稻米。

      盡管現(xiàn)在的研究還只是處于育種和產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)新種階段,但是可以解決香稻和高質(zhì)量水稻基因的問(wèn)題,而剩下的另一個(gè)大問(wèn)題當(dāng)然是要研究香稻生產(chǎn)的生境。國(guó)外研究表明,香稻品種之一的Khao Dawk Mali 105中2-AP的含量受干旱氣候的影響。國(guó)內(nèi)研究表明,香稻產(chǎn)地土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷含量以及鐵、錳、銅、鋅等微量元素含量均高于非產(chǎn)地。對(duì)中國(guó)的中香1號(hào)和田東香稻種的研究發(fā)現(xiàn),在川陜盆地單季稻兩熟亞區(qū)種植后,其籽粒糙米中的2-AP含量最高,原因可能是各個(gè)稻區(qū)間海拔高度存在差異。還有研究認(rèn)為,鋅是水稻香味產(chǎn)生的必需元素之一。

      由此,只有從基因和生境兩個(gè)方面著手,才有可能創(chuàng)造出更多更好的香米,以滿足人們需求,而以CRISPR/Cas9為代表的基因剪刀的出現(xiàn),為研究人員研發(fā)出更多的香米提供了條件。

      稻米中的營(yíng)養(yǎng)蛋白可分為谷蛋白、醇溶蛋白、球蛋白和白蛋白等,極大多數(shù)稻米蛋白的合成受到多基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的控制,現(xiàn)在對(duì)稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)尤其是蛋白營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)合成等方面的遺傳機(jī)制及合成調(diào)控機(jī)理的研究還很少,如果進(jìn)一步的研究能確定哪些基因有利于增加稻米的蛋白質(zhì)含量,哪些基因能抑制稻米的蛋白質(zhì)產(chǎn)量,就能轉(zhuǎn)入高蛋白產(chǎn)量的基因和敲除抑制蛋白產(chǎn)量的基因,讓人們不僅能吃到香噴噴的大米,還能吃到蛋白質(zhì)含量高的高營(yíng)養(yǎng)大米。

      CRISPR/Cas9基因剪刀還可以培育高產(chǎn)水稻,讓水稻增產(chǎn)。粒重是水稻產(chǎn)量構(gòu)成的重要性狀,與有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)共同構(gòu)成水稻產(chǎn)量三要素,這些要素系由多基因控制,體現(xiàn)為基因的數(shù)量性狀位點(diǎn)。現(xiàn)在,研究人員用CRISPR/Cas9基因剪刀敲除3個(gè)水稻品種中粒長(zhǎng)基因GS3、GS2和每穗粒數(shù)基因Gn1a,發(fā)現(xiàn)三基因突變有疊加增產(chǎn)效應(yīng)。還有研究人員采用CRISPR/Cas9基因剪刀敲除水稻千粒重基因、粒重基因GW2、GW5和千粒重多基因TGW6后,得到gw2gw5tgw6 和gw2gw5 純合突變體,發(fā)現(xiàn)突變體粒長(zhǎng)、粒寬和粒重都顯著增加,從而有效增加了產(chǎn)量。

      顯然,基因剪刀不只是對(duì)創(chuàng)造高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)水稻大有作為,對(duì)于創(chuàng)造其他優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品,譬如玉米、小麥等,也有巨大的技術(shù)推動(dòng)作用。

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