重磅：“超級植物”技術(shù)來了！
水稻和馬鈴薯的改造前后對比(課題組供圖)
一種人和動物體內(nèi)常見的蛋白，轉(zhuǎn)入植物體內(nèi)，會發(fā)生什么？答案是：這些植物長成了壯大繁茂的“超級植物”！
7月22日，北京大學(xué)賈桂芳課題組與合作者美國芝加哥大學(xué)何川課題組、貴州大學(xué)宋寶安課題組在《自然—生物技術(shù)》上發(fā)表一項重要進(jìn)展：首次開發(fā)了利用RNA表觀遺傳修飾N6-甲基腺嘌呤(m6A)直接提高植物生物量、產(chǎn)量和抗逆性的新技術(shù)。
“這項技術(shù)有潛力改變傳統(tǒng)育種思路，有很大的應(yīng)用前景�！闭撐耐ㄓ嵶髡咧�、美國芝加哥大學(xué)教授何川對《中國科學(xué)報》說，“因為我們需要更多的植物原材料，去解決迫在眉睫的糧食危機(jī)、生態(tài)環(huán)境修復(fù)等問題�！�
打通植物“任督二脈”
2010年，何川首次提出“RNA表觀遺傳學(xué)”的猜想，在生命科學(xué)領(lǐng)域引起重大反響。而這項“超級植物”技術(shù)，就是他們在開展RNA表觀遺傳學(xué)研究時，意外摘得的一枚果實。
北京大學(xué)研究員賈桂芳是這篇論文的另一位通訊作者。2011年時，她作為何川課題組的一名博士后，和實驗室其他成員一起發(fā)現(xiàn)了第一個RNA化學(xué)修飾m6A的去修飾酶——FTO，首次揭示了RNA上的甲基化修飾動態(tài)可逆，且對基因表達(dá)具有重要的調(diào)控功能。這次的發(fā)現(xiàn)，正式開啟了“RNA表觀遺傳學(xué)”這個新的研究領(lǐng)域。
賈桂芳回到北京大學(xué)后，開始以植物為主要研究對象，開展RNA表觀遺傳學(xué)研究。“FTO是一個主要存在于動物體內(nèi)的蛋白，能調(diào)控動物的生長發(fā)育，跟肥胖也有關(guān)系。這個蛋白在植物里是沒有的�！辟Z桂芳告訴《中國科學(xué)報》，“但當(dāng)我們把這個蛋白轉(zhuǎn)入植物體內(nèi)后，卻發(fā)現(xiàn)植物對它的反應(yīng)非常強(qiáng)烈，似乎能調(diào)控植物的多種表型，特別是會讓它們的產(chǎn)量、生物量變大。”
研究人員選擇了水稻和馬鈴薯兩種重要的經(jīng)濟(jì)作物，引入FTO，從而實現(xiàn)對這些植物的RNA修飾m6A去甲基化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實驗室內(nèi)的水稻單株產(chǎn)量增加達(dá)3倍之多。而在田間，水稻和馬鈴薯的產(chǎn)量和生物量也顯著增加了約50%。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TO蛋白的過表達(dá)可顯著促進(jìn)水稻分蘗形成和根系生長，增強(qiáng)光合作用，還提高了抗旱能力。深入分子機(jī)理，則發(fā)現(xiàn)FTO介導(dǎo)的m6A去甲基化可以促進(jìn)染色質(zhì)開放，激活轉(zhuǎn)錄，分別使葉片中約11000個基因和根里面約7000個基因表達(dá)上調(diào)，激活多個通路。
顛覆傳統(tǒng)育種模式
水稻是單子葉植物，馬鈴薯是雙子葉植物，在進(jìn)化上的親緣關(guān)系并不近。一種蛋白能同時打通它們的“任督二脈”，這意味著什么？
“意味著這種技術(shù)對植物具有普適性�！焙未ㄕf。研究人員還在其他多種植物上試用了這項技術(shù)，都得到了相似的結(jié)果。
研究人員把這些個頭奇大的水稻和馬鈴薯送到專門的農(nóng)產(chǎn)品檢驗機(jī)構(gòu)進(jìn)行成分檢測，至少從數(shù)據(jù)來看，“超級作物”的蛋白質(zhì)、碳水化合物含量等品質(zhì)參數(shù)與對照組無異。
在何川看來，這項研究的重要意義在于，它可以和各種現(xiàn)有育種模式結(jié)合：“過去育種，要針對某一種植物，研究它的特定通路，找到特異性的改造方法。這種方式復(fù)雜且有局限性：比如同樣是桃子，A品種的口感更好，但是研究出的增產(chǎn)方式卻只適合不那么好吃的B品種；同樣是水稻，你培育出的高產(chǎn)品種在東北長得好，移栽到南方卻不一定行�！彼f，“但有了我們這種方法，對大多數(shù)品種的植物，只要撥動一個名為‘FTO’的開關(guān)，就可能讓它們迅速提高產(chǎn)量——感覺有點簡單‘粗暴’、直接了當(dāng)�！�
這項技術(shù)不僅僅可以用來為糧食作物增產(chǎn)。何川介紹，由于“超級植物”的根系也非常發(fā)達(dá)，將來可以將這項技術(shù)用在具有防風(fēng)固沙、修復(fù)土壤等功能的“特種植物”上，讓它們?nèi)缁⑻硪恚玫匕l(fā)揮作用。
“超級植物”來了，我們準(zhǔn)備好了嗎？
“這項工作很有意思，它激活了植物內(nèi)部本身存在，但我們之前一直不了解的開關(guān)。這意味著RNA表觀遺傳學(xué)技術(shù)可能將在農(nóng)業(yè)和生態(tài)領(lǐng)域大放異彩�！蔽磪⑴c該工作的中國科學(xué)院院士種康在接受《中國科學(xué)報》采訪時說。
除水稻和馬鈴薯外，他還期待這項技術(shù)未來應(yīng)用于樹木、草和其他經(jīng)濟(jì)作物的改良上，為生態(tài)改善和環(huán)境治理做出貢獻(xiàn)。
與此同時，人們也難免要問：這樣一項技術(shù)，是不是足夠安全呢？“超級植物”可以被端上餐桌嗎？
對此何川解釋，“超級植物”轉(zhuǎn)入的是人類和家畜體內(nèi)都非常常見的FTO蛋白，通過對植物RNA表觀修飾進(jìn)行編輯，開啟了植物高產(chǎn)、高生物量的通道。這項研究啟動的重要通路，相信未來應(yīng)該會被繼續(xù)研發(fā)出一系列的農(nóng)業(yè)育種技術(shù)。
“當(dāng)然，我們也期待國家出臺針對性的審批標(biāo)準(zhǔn)，以推動這項技術(shù)在安全規(guī)范的前提下推廣落地�！彼f。
種康也強(qiáng)調(diào)：“每一項新技術(shù)出現(xiàn)后，健全它的相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)都是需要時間的。這項技術(shù)作為首個表觀遺傳育種技術(shù)的成功案例，顯示出巨大的應(yīng)用潛力，當(dāng)然，在生產(chǎn)上的應(yīng)用還需要按照國家相關(guān)法規(guī)的規(guī)定程序?qū)彾ㄆ贩N�！�
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41587-021-00982-9
