基因魔剪出手,“孤儿作物”迎来春天-资讯-知识分子

基因魔剪出手,“孤儿作物”迎来春天

2018/10/13
导读
基因编辑,照亮未来育种之路。

“ 深耕基础研究,妙用基因编辑,

研究者为‘孤儿作物’带来新生 ”


撰文 | 小丑鱼


  


基因编辑,照亮未来育种之路


基因编辑技术(被誉为“基因魔剪”)自问世以来,人类一直对它满怀期待。对于作物,人们很清楚,这一技术必然会引起新一轮的“绿色革命”,带来一拨拨作物的改良。但具体如何实现,这是科学家们目前最为犯难的问题。这种感觉就好像一条大鱼已经被送进了厨房,但如何最终能吃到嘴里?各路"大厨”们开始纷纷献艺。近期,Lippman实验室在《自然·植物》杂志上发文,再次为我们带来了“一顿大餐”。值得注意的是,2017年,Lippman实验室连续在《细胞》杂志发文,分别提供了两条巧妙的思路,为番茄,以及其他模式作物,照亮了未来的育种之路。相对于那些为公众所熟知“宠儿作物”,近期的这篇研究论文则为“孤儿作物”的育种量身打造。


“孤儿作物”,不被疼爱的孩子


“孤儿作物”,是指那些被人类忽视、尚未被充分利用的作物,例如这篇论文的主角,灯笼果(Physalis pruinosa)。相较于“宠儿作物”如水稻、玉米、大豆、番茄等,这些“孤儿作物”在人类的饮食结构中,占比很低。它们也没有受到人们的充分关注,因此,它们也没有被人们充分地驯化和遗传改良。


灯笼果 图片来源于网络



“孤儿”家族中的“宠儿” 


在人类眼里,灯笼果虽然是孤儿,但是它们本身却是茄科,一个庞大植物家族的成员。这个家族中也有着人类的“宠儿”,例如番茄。由于“受宠”,番茄被全世界广泛种植,同时,在种植过程中,也不断被人类改良。如今,这种作物,已经被人类优化到了极致的地步:果实的大小被大幅提高,花序的结构也被充分优化…… 更为重要的是,科学家们也钟爱番茄。通过全世界科学家的共同努力,人们已经搞清楚,导致栽培番茄果实变大、植株结实变多的主要基因。


栽培番茄(右)相比于野生番茄(左),果实大小大幅提高。


栽培番茄充分优化的花序,提高了挂果的密度。



借势“宠儿”研究,“孤儿”迎来春天


值得庆幸的是,由于灯笼果和番茄是同一个植物家族的成员,它们在分子层面,相对而言,是近期同源,有很多相似之处。于是,研究者们推想,既然A基因在番茄中影响果实大小,那么,在灯笼果中,A基因是不是很有可能也影响果实大小?那样,在灯笼果中,能不能人为改造A基因,从而使得灯笼果的果实变大?科学家们都是行动派,他们循着这条思路一一走下去。通过对控制果实大小基因的基因编辑,产生大量的变异,而研究者从中选择到了更加高产的等位变异。这一等位变异的整合,使得单颗果实的重量跃升24%,而这只是对一个基因进行编辑改造的成果。对另外一个花序结构相关基因的改造,则使得单个灯笼果植株上面能够长出更多的果实。


基因编辑使得灯笼果的果实变大。右侧为基因编辑之后的灯笼果果实。


基因编辑花序结构相关基因,使得灯笼果挂果数量提升,右图为基因编辑之后的植株。


这些结果给人巨大的振奋,更是带来无穷的想象空间:我们是否可以定向编辑灯笼果中更多的产量基因?解决产量问题之后,是否可以编辑口味相关的基因,生产更美味的灯笼果?而灯笼果中建立起来的这一技术路线,是不是可以推而广之,去造福其他的“孤儿作物”?而这一研究的助推,会不会从万千个“孤儿作物”中,再造一个“宠儿作物”,最终改变全球粮食结构的格局?研究者也评论道,这份研究本身只是一个开始……


“无用”基础研究,催生改良思路


面对厨房里“基因编辑”这条大鱼,厨师们一直苦于没有好的菜谱,而Lippman组能够率先破局,为人们提供了“一顿美味的大餐”。看似简单的逻辑背后,却包含着对进化生物学以及作物驯化知识极为深刻的冷思考。进化生物学一直被视为较为“无用”的基础研究,甚至在我国的学科建设中,都相对缺乏。在这份改良思路中,进化生物学知识却贡献了关键的一环。为何选择“孤儿作物”?因为这些作物,相对来说,是驯化的“半成品”。而“宠儿”作物,每一个控制重要性状的基因位点,已经被农民或者育种家们,进行了长达几千年的挑选和优化,有意或者无意。因此,要想在这基础之上再去提升,难度非凡。而对于“半成品”的“孤儿作物”,则相对容易。加上科学家们对“宠儿作物”的不断研究,学习和理解了驯化的逻辑,学习“宠儿作物”的每一次变化的遗传基础,而这些变化可能在“孤儿作物”中仍没有发生,因此可以“嫁接”过来。为何选择灯笼果入手?因为系谱关系上,它和番茄很近,这意味着很多性状的分子基础,同源相似。而多年来,对于番茄的分子生物学研究,已然积累了大量的知识,可供灯笼果借鉴。Lippman的这一研究对“孤儿作物”灯笼果的改良,也充分体现了研究者对进化生物学的深入思考,对自然规律的的巧妙利用。 


制版编辑 | 皮皮鱼

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