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    基因組編輯技術:“修改”目標基因實現精確育種——想吃啥樣的番茄?“編輯”吧!

    2017-06-05 23:41 | 作者: 蔣建科 | 標簽: 基因編輯 轉基因西紅柿


    基因組編輯技術可以根據需要對目標基因進行“修改”。資料圖片

    你可能常聽到這樣的吐槽:現在番茄種類很多,也更大更好看,但卻不如過去好吃了。別著急,好消息來了:不久前,中國農業科學院農業基因組所研究人員培育出了一批番茄新品種,口味就比之前的好多了。

    番茄等蔬菜瓜果為何味道變差了?中國農科院研究人員又是通過什么神奇的方法培育出了好吃的番茄品種?

    西紅柿味道不如以前,是因為育種過程中丟失了控制風味品質的部分基因

    番茄,又稱西紅柿,原產于南美洲,大約明朝傳入我國。它適應性廣、產量高、營養豐富、風味獨特,是世界范圍內廣泛種植的第一大蔬菜作物。據聯合國糧農組織統計,2014年全球番茄產值達962.8億美元。我國以鮮食番茄為主,更加注重風味品質。

    據中國農業科學院農業基因組研究所副所長黃三文介紹,我們現在吃到的番茄都是由野生醋栗番茄馴化后的品種,野生番茄果實非常小,只有1—2克重,經過人工的長期馴化,現代栽培番茄的果重是其祖先的100多倍。

    黃三文說,番茄味道不如以前,是由于在現代育種過程中過于注重產量、外觀等指標,雖然產量大了、長得好看了,卻使控制風味品質的部分基因位點丟失。研究結果表明,番茄中的13種風味物質含量在現代番茄品種中顯著降低,從而改變了番茄口感。

    能不能利用現代技術手段,培育出好看又好吃的西紅柿?黃三文想到了基因組編輯技術。從源頭做起,先找出影響番茄口味的“基因密碼”。“我們的味蕾一直想找回的老口味兒就躲藏在‘基因密碼’里,一旦找到決定番茄風味的相關基因,問題就會迎刃而解。”黃三文說。

    2012年,黃三文帶領團隊參與了番茄基因組測序項目,破解了擁有9億個堿基對的番茄全基因組圖譜,其相關研究成果發表在權威學術期刊《自然》雜志上。2014年,黃三文帶領的團隊與國內多個從事番茄研究的團隊一起揭開了番茄果實由小到大的人工馴化過程,即:野生醋栗番茄產生櫻桃番茄,最終形成大果栽培番茄。同時,他們構建了番茄基因組變異圖譜,發現了1200萬個基因組變異的數據。2017年1月,黃三文團隊終于破解了番茄風味基因密碼,國際頂級學術期刊《科學》以封面文章的形式報道了這一科研成果。

    “為了鑒定番茄種質中的優良基因,我們對世界范圍內400份代表性的番茄種質進行了全基因組測序和多點多次的表型鑒定。利用全基因組關聯分析和連鎖分析,最終鑒定了影響33種風味物質的200多個主效的遺傳位點。”該論文并列第一作者、中國農科院基因組研究所祝光濤博士說,研究發現,其中有2個基因控制了番茄的含糖量,5個控制了酸含量。

    研究還發現,檸檬酸和蘋果酸是番茄中的主要酸類物質,檸檬酸能提高西紅柿風味,但蘋果酸降低風味,研究人員由此找到了降低蘋果酸、提高檸檬酸含量的技術路線。

    從理論上說,任何風味的番茄都可以通過基因組編輯技術實現

    基因組編輯技術為何如此神奇?

    黃三文說,基因組是一個物種所有遺傳信息的總和,新一代基因組技術被認為是驅動未來經濟的顛覆性創新技術。2002年中國科學家發表的水稻基因組,推動了基因組學在農業育種上的應用?;蚪M編輯技術則是基因組學快速發展的直接產物。如同要編出暢銷書或好新聞首先要仔細閱讀原稿一樣,要想更好地應用基因組編輯技術,首先要閱讀基因組、讀懂基因組。

    黃三文介紹,基因組編輯技術是當前生命科學研究的前沿領域,利用該技術,科學家能夠對目標基因進行定點敲除或插入,從而獲得對人類有益的性狀。其中,CRISPR/Cas9技術因其編輯效率高、操作簡易等特點,成為當前生物研究炙手可熱的研究工具——他們發現并改進西紅柿口味就是用的這種技術。

    他舉例說,日常食用的番茄有紅果和粉果兩種,紅果番茄硬度大耐儲運,但口味較差;粉果番茄顏值高、風味佳,但卻有不易儲存的缺點。因此,傳統的育種主要集中在紅果番茄上,優質粉果番茄品種較少。黃三文團隊利用基因組編輯技術,將控制番茄果實顏色、口味等的基因進行了編輯,僅用了10個月的時間就獲得了耐儲運、風味佳的粉果番茄。

    “從理論上來說,未來人們想吃什么風味的番茄,都可以通過基因組編輯技術來實現。”

    黃三文介紹說,他們團隊與合作者已經培育出含糖量提高的西紅柿新品種。下一步,將進一步提高有益揮發性物質的含量,培育出更美味的西紅柿品種,力爭恢復西紅柿原有的風味。

    通過基因組編輯技術,可以大大提高饅頭或米飯中直鏈淀粉的比例,從而造福糖尿病人

    在農作物育種領域,基因組編輯技術的作用不只是用在西紅柿上。黃三文說,基因組編輯技術大大提高了作物的育種進度,通過“編輯”基因,一些小麥、水稻、玉米、馬鈴薯等作物新品系也相繼問世。

    國家“十三五”七大作物育種專項首席科學家、農業部作物基因資源與種質創制重點實驗室主任張學勇研究員說,基因組編輯技術在農業領域前景廣闊。“與物理或化學誘變育種相比,基因組編輯技術可以更準確、更精細地改變生物體內有機大分子的合成速度和方向,是一種精準育種技術。”

    張學勇說,饅頭或者米飯中存在兩種淀粉,即直鏈淀粉和支鏈淀粉。其中支鏈淀粉很容易水解為葡萄糖,而直鏈淀粉降解成為葡萄糖的速度則緩慢許多。通過基因編輯技術,可以敲除或減弱支鏈淀粉合成的基因的活性,增加直鏈淀粉的比例,使直鏈淀粉的比例從百分之十幾提高到60%—70%,這樣就能有效控制糖尿病人飯后血糖迅速上升的情況,造福糖尿病人。

    張學勇介紹,通過基因組編輯技術,還可以改變大豆、油菜等作物籽粒中油的成分比例,增加亞麻酸、亞油酸等優良成分的比重,利于健康和長壽。該技術還能讓棉花纖維更細更長,增加優質棉比例,增加棉農收入。此外,它還能改變玉米、水稻等作物的葉片夾角,更有利于密植以達到高產的目的。“基因組編輯技術還能控制花卉的顏色,創造出一些自然界還沒有的蘭花、牡丹花的顏色,提高花卉品質,滿足不同人群需要。”

    張學勇認為,未來利用基因組編輯技術還可以根據人們的需要,改變許多農產品的風味、顏色,延長農產品的貨架期,為現代農業發展注入強大的科技動力,更好地造福人類。

    什么是基因組編輯(延伸閱讀)

    黃三文

    《 人民日報 》( 2017年06月05日 20 版)

    基因是具有遺傳效應的DNA(脫氧核糖核酸)片段,它能控制生物的性狀,支持生命的基本構造和性能?;蚪M編輯是改變目標基因序列的技術。如同對文本進行修改一樣,首先要把錯誤或想要修改的地方找出來,然后使用工具,按照修改的意圖,插入、刪除部分詞句或者改寫一段“文字”。當然,基因編輯是在細胞內對基因序列進行類似的操作,過程要復雜得多。

    在基因組編輯的過程中,找到一把自帶“導航系統”的“剪刀”至關重要。CRISPR/Cas9技術是近年來出現的新“剪刀”,因為其構成簡單、編輯效率高且易操作,成為基因組編輯炙手可熱的工具。該工具能對生物本身基因進行定向改造,它利用“精確制導”的“基因剪刀”,能夠高效、準確地按照人類意志修改基因組,在醫學和農業育種上有巨大的潛力。比如,按照傳統方法,改良一個品種可能需要幾年甚至幾十年的時間,而利用CRISPR/Cas9技術,改良一個品種的某一個基因可能只需短短數周。

    雖然都與“修改”基因有關,但基因組編輯技術和現有的轉基因育種技術有本質的不同。當前已應用的基因組編輯技術是對基因組已經搞清楚的特定DNA序列做調整或改動,是在生物自身基因組上進行改造,通過敲除幾個堿基對或者一段DNA序列,讓作物獲得優良性狀,而并未引入其他生物的外源基因。而一般的轉基因作物最明顯的特征,是引入了外源生物的DNA。比如,目前種植面積最大的抗蟲作物,就是通過添加細菌基因到植物中,從而使作物能夠耐害蟲。

    與轉基因相比,基因組編輯技術形成的新品種不含外源基因,在美國和德國都視為與常規育種實質等同,不進入轉基因監管范圍。2015年,瑞典農業委員會明確解釋,某些由CRISPR引入的植物突變,并不符合歐盟對轉基因的定義;阿根廷也認為,基因編輯作物不屬于轉基因的監管范疇。

    (作者為中國農業科學院農業基因組研究所副所長) 

    來源:人民日報

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