引導(dǎo)編輯實(shí)現(xiàn)水稻定向進(jìn)化

李晨

一年多以前，可實(shí)現(xiàn)基因組所有12種單堿基自由轉(zhuǎn)換的引導(dǎo)編輯技術(shù)誕生。近日，中國(guó)科學(xué)家在《自然—植物》發(fā)表最新研究成果，利用引導(dǎo)編輯技術(shù)首次在水稻中實(shí)現(xiàn)定向進(jìn)化，并創(chuàng)制了可供育種的新種質(zhì)。

“我們的工作證明人工進(jìn)化相對(duì)于自然選擇存在一定優(yōu)勢(shì)，這可以讓作物改良的進(jìn)程大大加快?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究員魏鵬程說(shuō)。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院中國(guó)水稻研究所研究員王克劍表示，相較于CRISPR靶向突變和單堿基編輯技術(shù)，引導(dǎo)編輯技術(shù)提供了關(guān)鍵功能位點(diǎn)的人工進(jìn)化新方法。

1、窮盡64種組合實(shí)現(xiàn)飽和突變篩選

基因組中的堿基有四種。2013年出現(xiàn)的基因編輯技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)堿基之間的轉(zhuǎn)換。2017年，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了高效的T轉(zhuǎn)換為C，A轉(zhuǎn)換為G。2019年10月又實(shí)現(xiàn)了四種堿基之間的任意轉(zhuǎn)換，也就是引導(dǎo)編輯技術(shù)。

一項(xiàng)新技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中走向應(yīng)用要花多長(zhǎng)時(shí)間？

一年零8個(gè)月，引導(dǎo)編輯技術(shù)完成了在哺乳動(dòng)物中開(kāi)發(fā)成功，在植物中成功建立并優(yōu)化，在水稻中實(shí)現(xiàn)功能位點(diǎn)的全部20種氨基酸編輯并創(chuàng)制新種質(zhì)。

“早期的基因編輯方法（靶向突變）只能在某一個(gè)片段上產(chǎn)生一個(gè)突變，但這種突變是什么樣子的沒(méi)有辦法控制。也就是說(shuō)能控制突變的位置，而不能控制突變的形式?！蔽葫i程說(shuō)，其他傳統(tǒng)理化誘變等技術(shù)也無(wú)法控制突變的形式。

而且，靶向突變往往插入或者刪掉一個(gè)片段，造成的是功能的破壞?！暗a(chǎn)上需要的不是這種功能的破壞，而是把相應(yīng)位點(diǎn)的功能調(diào)高一點(diǎn)或者調(diào)低一點(diǎn)，甚至創(chuàng)造新的功能。”魏鵬程說(shuō)，利用早期的單堿基編輯技術(shù)達(dá)不到這個(gè)目標(biāo)。

科學(xué)家一直想在一個(gè)基因位點(diǎn)上嘗試所有可能的突變形式，也就是試試所有氨基酸會(huì)產(chǎn)生什么樣的表型。

論文第一作者許蓉芳介紹，3個(gè)堿基組成1個(gè)氨基酸，而4種堿基的隨機(jī)排列有64種組合，這些組合對(duì)應(yīng)所有20種氨基酸。在他們的研究中，利用引導(dǎo)編輯技術(shù)，可以在特定位點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)所有64種堿基組合的轉(zhuǎn)換，即完成單個(gè)氨基酸位點(diǎn)的飽和突變。

“體外飽和突變篩選是目前研究蛋白功能的重要手段，但在真核生物體內(nèi)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵氨基酸高頻替換，尚存在較大技術(shù)難度?！蓖蹩藙φf(shuō)，這項(xiàng)研究成功地在水稻中建立了可實(shí)現(xiàn)體內(nèi)特定位點(diǎn)氨基酸飽和替換突變的新型技術(shù)策略，可以獲得不同的表型，解決了上述技術(shù)難題。

2、創(chuàng)制自然界中不存在的新位點(diǎn)

遺傳變異是作物育種基礎(chǔ)。魏鵬程介紹，盡管近年來(lái)功能基因組研究為作物分子育種提供了大量主效改良位點(diǎn)/基因;但由于傳統(tǒng)誘變靶向性不足、突變隨機(jī)性較大等技術(shù)問(wèn)題，在多數(shù)情況下，挖掘和鑒定這些主效基因最適于生產(chǎn)的等位型仍較為困難。

在研究水稻抗除草劑基因的過(guò)程中，有很多突變是天然產(chǎn)生的?！暗覀儾恢肋@些天然突變是不是最適合的突變?！蔽葫i程解釋說(shuō)，比如，一個(gè)突變可以讓水稻具有抗除草劑性狀，但也可能同時(shí)造成了生長(zhǎng)緩慢，甚至產(chǎn)量下降。

科學(xué)家猜測(cè)，天然突變可能無(wú)法讓一個(gè)基因完全發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。魏鵬程說(shuō)，通過(guò)飽和突變，也就是在某些關(guān)鍵位點(diǎn)逐個(gè)嘗試不同的氨基酸替換突變，然后測(cè)試不同等位型的效果好壞與否，有可能找到最適合某一作物某一位點(diǎn)的突變。

“如何在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)重要基因關(guān)鍵位點(diǎn)的飽和氨基酸替換突變是該類研究的難點(diǎn)問(wèn)題?！蔽葫i程說(shuō)。

許蓉芳表示，選擇水稻抗除草劑基因OsACC1作為研究對(duì)象，主要是基于該基因的功能，OsACC1基因是除草劑關(guān)鍵應(yīng)答基因，它可以通過(guò)抗性篩選實(shí)驗(yàn)來(lái)分辨不同表型。

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)抗除草劑基因具有巨大的潛力。許蓉芳介紹，通過(guò)在6個(gè)已報(bào)道的潛在抗性位點(diǎn)上開(kāi)展方法學(xué)研究，他們共發(fā)現(xiàn)16種不同類型的氨基酸替換突變可能與除草劑抗性獲得密切相關(guān)。其中有3個(gè)位點(diǎn)為植物中首次鑒定。

“引導(dǎo)編輯技術(shù)具有將目標(biāo)氨基酸突變?yōu)槠渌?9種氨基酸的能力，從而提供了關(guān)鍵功能位點(diǎn)的人工進(jìn)化新方法?！蓖蹩藙φf(shuō)，這實(shí)際上加快了進(jìn)化速度。

3、人工進(jìn)化更有優(yōu)勢(shì)

這實(shí)際上是一種定向進(jìn)化。魏鵬程解釋說(shuō)，定向進(jìn)化是實(shí)驗(yàn)室中在分子水平的模擬自然進(jìn)化過(guò)程。也就是根據(jù)需求，針對(duì)目的蛋白人為制造大量的突變并給予選擇壓力，篩選出具有期望特征的變異型，進(jìn)而解決生產(chǎn)問(wèn)題。

“我們篩選到了自然界中不存在的，甚至通過(guò)理化誘變和基因編輯也難以創(chuàng)制出來(lái)的位點(diǎn)。”魏鵬程說(shuō)，這證明人工進(jìn)化方法相對(duì)于自然選擇的確存在優(yōu)勢(shì)，也大大拓寬了種質(zhì)創(chuàng)制的思路。

“研究人員利用這項(xiàng)技術(shù)成功篩選到多個(gè)水稻抗除草劑的新位點(diǎn)，顯出巨大應(yīng)用價(jià)值?！蓖蹩藙φf(shuō)，該研究不僅建立了作物基因定向進(jìn)化的新方法，也為充分挖掘重要基因新等位型，突破現(xiàn)有種質(zhì)資源限制，根據(jù)生產(chǎn)需求人工“定制”優(yōu)異性狀提供了新思路，具有重要的借鑒意義。

許蓉芳說(shuō)，新篩選到的三個(gè)位點(diǎn)在目前的實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出較好的除草劑抗性，后續(xù)還要進(jìn)一步考察其抗除草劑的同時(shí)是否能夠保持較好的農(nóng)藝性狀。

“現(xiàn)有的引導(dǎo)編輯系統(tǒng)的效率還比較低，選擇基因位點(diǎn)時(shí)需要其他的一些輔助手段，如抗性篩選等，來(lái)減少工作量。隨著引導(dǎo)編輯系統(tǒng)效率的提高，這一方法將可用于更多其他功能基因的定向進(jìn)化。”許蓉芳說(shuō)。

相較于其他方法，“通過(guò)人工進(jìn)化，我們篩選到的這些水稻的內(nèi)源位點(diǎn)，有可能很快就能直接用在生產(chǎn)上，來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)水稻綠色生產(chǎn)模式?！蔽葫i程說(shuō)。他們已經(jīng)對(duì)新發(fā)現(xiàn)的基因位點(diǎn)進(jìn)行了知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。魏鵬程相信，隨著研究的深入和應(yīng)用的拓展，未來(lái)將有可能應(yīng)用到農(nóng)業(yè)實(shí)踐中。