將一種人和動(dòng)物體內(nèi)常見的蛋白，轉(zhuǎn)入植物體內(nèi)，會(huì)發(fā)生什么?答案是，這些植物長(zhǎng)成了壯大繁茂的“超級(jí)植物”!

北京大學(xué)研究員賈桂芳課題組與美國(guó)芝加哥大學(xué)教授何川課題組、貴州大學(xué)宋寶安院士課題組，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)。近日，相關(guān)論文發(fā)表于《自然—生物技術(shù)》。

“這項(xiàng)技術(shù)有潛力改變傳統(tǒng)育種思路，有很大的應(yīng)用前景。”論文通訊作者之一的何川對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說，“因?yàn)槲覀冃枰嗟闹参镌牧希ソ鉀Q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(xiàng)“超級(jí)植物”技術(shù)，就是他們?cè)陂_展RNA表觀遺傳學(xué)研究時(shí)，意外摘得的一枚“果實(shí)”。

賈桂芳是這篇論文的另一位通訊作者。2011年時(shí)，她作為何川課題組的一名博士后，和實(shí)驗(yàn)室其他成員一起發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)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(dòng)態(tài)可逆，且對(duì)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(gè)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(duì)象，開展RNA表觀遺傳學(xué)研究。“FTO是一個(gè)主要存在于動(dòng)物體內(nèi)的蛋白，能調(diào)控動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育，跟肥胖也有關(guān)系。這個(gè)蛋白在植物里是沒有的。”賈桂芳告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“但當(dāng)我們把這個(gè)蛋白轉(zhuǎn)入植物體內(nèi)后，卻發(fā)現(xiàn)植物對(duì)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(huì)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(shí)現(xiàn)對(duì)這些植物的RNA修飾m6A去甲基化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)，增強(qiáng)光合作用，還提高了抗旱能力。研究人員分析了相關(guān)分子機(jī)理，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(gè)基因和根里面約7000個(gè)基因表達(dá)上調(diào)，激活多個(gè)通路。

只需撥動(dòng)FTO開關(guān)

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(shí)打通它們的“任督二脈”，這意味著什么?

“意味著這種技術(shù)對(duì)植物具有普適性。”何川說。研究人員還在其他多種植物上試用了這項(xiàng)技術(shù)，都得到了相似的結(jié)果。

研究人員把這些個(gè)頭奇大的水稻和馬鈴薯送到專門的農(nóng)產(chǎn)品檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行成分檢測(cè)，至少從數(shù)據(jù)來看，“超級(jí)作物”的蛋白質(zhì)、碳水化合物含量等品質(zhì)參數(shù)與對(duì)照組無異。

在何川看來，這項(xiàng)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(duì)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(zhǎng)得好，移栽到南方卻不一定行。”他說，“但有了我們這種方法，對(duì)大多數(shù)植物，只要撥動(dòng)一個(gè)名為‘FTO’的開關(guān)，就可能讓它們迅速提高產(chǎn)量——感覺有點(diǎn)簡(jiǎn)單‘粗暴’、直截了當(dāng)。”

這項(xiàng)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(jí)植物”的根系也非常發(fā)達(dá)，將來可以將這項(xiàng)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?，更好地發(fā)揮作用。

“超級(jí)植物”來了，我們準(zhǔn)備好了嗎?

“這項(xiàng)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。”未參與該工作的中國(guó)科學(xué)院院士種康在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。

除水稻和馬鈴薯外，他還期待這項(xiàng)技術(shù)未來應(yīng)用于樹木、草和其他經(jīng)濟(jì)作物的改良，為生態(tài)改善和環(huán)境治理作出貢獻(xiàn)。

與此同時(shí)，人們也難免要問：這樣一項(xiàng)技術(shù)，是不是足夠安全呢?“超級(jí)植物”可以被端上餐桌嗎?

對(duì)此何川解釋，“超級(jí)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(duì)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(xiàng)研究啟動(dòng)的重要通路，相信未來應(yīng)該會(huì)被用于繼續(xù)研發(fā)一系列的農(nóng)業(yè)育種技術(shù)。

“當(dāng)然，我們也期待國(guó)家出臺(tái)針對(duì)性的審批標(biāo)準(zhǔn)，讓這項(xiàng)技術(shù)在安全規(guī)范的前提下推廣落地。”他說。

種康也強(qiáng)調(diào)：“每一項(xiàng)新技術(shù)出現(xiàn)后，健全相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)都是需要時(shí)間的。這項(xiàng)技術(shù)作為首個(gè)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(guó)家相關(guān)法規(guī)的規(guī)定程序?qū)彾ㄆ贩N。”

標(biāo)簽：