【重磅:“超級植物”技術來了!】一種人和動物體內常見的蛋白,轉入植物體內,會發生什麼?答案是:這些植物長成了壯大繁茂的“超級植物”!

7月22日,北京大學賈桂芳課題組與合作者美國芝加哥大學何川課題組、貴州大學宋寶安課題組在《自然—生物技術》上發表一項重要進展http://t.cn/A6fmfXq4 :首次開發了利用RNA表觀遺傳修飾N6-甲基腺嘌呤(m6A)直接提高植物生物量、產量和抗逆性的新技術。

“這項技術有潛力改變傳統育種思路,有很大的應用前景。”論文通訊作者之一、美國芝加哥大學教授何川對《中國科學報》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、生態環境修複等問題。”

圖:水稻和馬鈴薯的改造前後對比(課題組供圖)

△ 打通植物“任督二脈”

2010年,何川首次提出“RNA表觀遺傳學”的猜想,在生命科學領域引起重大反響。而這項“超級植物”技術,就是他們在開展RNA表觀遺傳學研究時,意外摘得的一枚果實。

北京大學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後,和實驗室其他成員一起發現了第一個RNA化學修飾m6A的去修飾酶——FTO,首次揭示了RNA上的甲基化修飾動態可逆,且對基因表達具有重要的調控功能。這次的發現,正式開啟了“RNA表觀遺傳學”這個新的研究領域。

賈桂芳回到北京大學後,開始以植物為主要研究對象,開展RNA表觀遺傳學研究。“FTO是一個主要存在於動物體內的蛋白,能調控動物的生長發育,跟肥胖也有關系。這個蛋白在植物里是沒有的。”賈桂芳告訴《中國科學報》,“但當我們把這個蛋白轉入植物體內後,卻發現植物對它的反應非常強烈,似乎能調控植物的多種表型,特別是會讓它們的產量、生物量變大。”

研究人員選擇了水稻和馬鈴薯兩種重要的經濟作物,引入FTO,從而實現對這些植物的RNA修飾m6A去甲基化。結果發現,實驗室內的水稻單株產量增加達3倍之多。而在田間,水稻和馬鈴薯的產量和生物量也顯著增加了約50%。

進一步研究發現,FTO蛋白的過表達可顯著促進水稻分蘖形成和根系生長,增強光合作用,還提高了抗旱能力。深入分子機理,則發現FTO介導的m6A去甲基化可以促進染色質開放,激活轉錄,分別使葉片中約11000個基因和根里面約7000個基因表達上調,激活多個通路。

△ 顛覆傳統育種模式

水稻是單子葉植物,馬鈴薯是雙子葉植物,在進化上的親緣關系並不近。一種蛋白能同時打通它們的“任督二脈”,這意味著什麼?

“意味著這種技術對植物具有普適性。”何川說。研究人員還在其他多種植物上試用了這項技術,都得到了相似的結果。

研究人員把這些個頭奇大的水稻和馬鈴薯送到專門的農產品檢驗機構進行成分檢測,至少從數據來看,“超級作物”的蛋白質、碳水化合物含量等品質參數與對照組無異。

在何川看來,這項研究的重要意義在於,它可以和各種現有育種模式結合:“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。這種方式複雜且有局限性:比如同樣是桃子,A品種的口感更好,但是研究出的增產方式卻只適合不那麼好吃的B品種;同樣是水稻,你培育出的高產品種在東北長得好,移栽到南方卻不一定行。”他說,“但有了我們這種方法,對大多數品種的植物,只要撥動一個名為‘FTO’的開關,就可能讓它們迅速提高產量——感覺有點簡單‘粗暴’、直接了當。”

這項技術不僅僅可以用來為糧食作物增產。何川介紹,由於“超級植物”的根系也非常發達,將來可以將這項技術用在具有防風固沙、修複土壤等功能的“特種植物”上,讓它們如虎添翼,更好地發揮作用。

△ “超級植物”來了,我們準備好了嗎?

“這項工作很有意思,它激活了植物內部本身存在,但我們之前一直不了解的開關。這意味著RNA表觀遺傳學技術可能將在農業和生態領域大放異彩。”未參與該工作的中國科學院院士種康在接受《中國科學報》採訪時說。

除水稻和馬鈴薯外,他還期待這項技術未來應用於樹木、草和其他經濟作物的改良上,為生態改善和環境治理做出貢獻。

與此同時,人們也難免要問:這樣一項技術,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”轉入的是人類和家畜體內都非常常見的FTO蛋白,通過對植物RNA表觀修飾進行編輯,開啟了植物高產、高生物量的通道。這項研究啟動的重要通路,相信未來應該會被繼續研發出一系列的農業育種技術。

“當然,我們也期待國家出台針對性的審批標准,以推動這項技術在安全規范的前提下推廣落地。”他說。

種康也強調:“每一項新技術出現後,健全它的相關法規和標准都是需要時間的。這項技術作為首個表觀遺傳育種技術的成功案例,顯示出巨大的應用潛力,當然,在生產上的應用還需要按照國家相關法規的規定程序審定品種。”http://t.cn/A6fn3Us9

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