引導(dǎo)編輯實(shí)現(xiàn)水稻定向進(jìn)化

李晨

一年多以前，可實(shí)現(xiàn)基因組所有12種單堿基自由轉(zhuǎn)換的引導(dǎo)編輯技術(shù)誕生。近日，中國(guó)科學(xué)家在《自然—植物》發(fā)表最新研究成果，利用引導(dǎo)編輯技術(shù)首次在水稻中實(shí)現(xiàn)定向進(jìn)化，并創(chuàng)制了可供育種的新種質(zhì)。

“我們的工作證明人工進(jìn)化相對(duì)于自然選擇存在一定優(yōu)勢(shì)，這可以讓作物改良的進(jìn)程大大加快。”論文通訊作者、安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究員魏鵬程說。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院中國(guó)水稻研究所研究員王克劍表示，相較于CRISPR靶向突變和單堿基編輯技術(shù)，引導(dǎo)編輯技術(shù)提供了關(guān)鍵功能位點(diǎn)的人工進(jìn)化新方法。

1、窮盡64種組合實(shí)現(xiàn)飽和突變篩選

基因組中的堿基有四種。2013年出現(xiàn)的基因編輯技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)堿基之間的轉(zhuǎn)換。2017年，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了高效的T轉(zhuǎn)換為C，A轉(zhuǎn)換為G。2019年10月又實(shí)現(xiàn)了四種堿基之間的任意轉(zhuǎn)換，也就是引導(dǎo)編輯技術(shù)。

一項(xiàng)新技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中走向應(yīng)用要花多長(zhǎng)時(shí)間？

一年零8個(gè)月，引導(dǎo)編輯技術(shù)完成了在哺乳動(dòng)物中開發(fā)成功，在植物中成功建立并優(yōu)化，在水稻中實(shí)現(xiàn)功能位點(diǎn)的全部20種氨基酸編輯并創(chuàng)制新種質(zhì)。

“早期的基因編輯方法（靶向突變）只能在某一個(gè)片段上產(chǎn)生一個(gè)突變，但這種突變是什么樣子的沒有辦法控制。也就是說能控制突變的位置，而不能控制突變的形式。”魏鵬程說，其他傳統(tǒng)理化誘變等技術(shù)也無法控制突變的形式。

而且，靶向突變往往插入或者刪掉一個(gè)片段，造成的是功能的破壞。“但生產(chǎn)上需要的不是這種功能的破壞，而是把相應(yīng)位點(diǎn)的功能調(diào)高一點(diǎn)或者調(diào)低一點(diǎn)，甚至創(chuàng)造新的功能。”魏鵬程說，利用早期的單堿基編輯技術(shù)達(dá)不到這個(gè)目標(biāo)。

科學(xué)家一直想在一個(gè)基因位點(diǎn)上嘗試所有可能的突變形式，也就是試試所有氨基酸會(huì)產(chǎn)生什么樣的表型。

論文第一作者許蓉芳介紹，3個(gè)堿基組成1個(gè)氨基酸，而4種堿基的隨機(jī)排列有64種組合，這些組合對(duì)應(yīng)所有20種氨基酸。在他們的研究中，利用引導(dǎo)編輯技術(shù)，可以在特定位點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)所有64種堿基組合的轉(zhuǎn)換，即完成單個(gè)氨基酸位點(diǎn)的飽和突變。

“體外飽和突變篩選是目前研究蛋白功能的重要手段，但在真核生物體內(nèi)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵氨基酸高頻替換，尚存在較大技術(shù)難度。”王克劍說，這項(xiàng)研究成功地在水稻中建立了可實(shí)現(xiàn)體內(nèi)特定位點(diǎn)氨基酸飽和替換突變的新型技術(shù)策略，可以獲得不同的表型，解決了上述技術(shù)難題。

2、創(chuàng)制自然界中不存在的新位點(diǎn)

遺傳變異是作物育種基礎(chǔ)。魏鵬程介紹，盡管近年來功能基因組研究為作物分子育種提供了大量主效改良位點(diǎn)/基因;但由于傳統(tǒng)誘變靶向性不足、突變隨機(jī)性較大等技術(shù)問題，在多數(shù)情況下，挖掘和鑒定這些主效基因最適于生產(chǎn)的等位型仍較為困難。

在研究水稻抗除草劑基因的過程中，有很多突變是天然產(chǎn)生的。“但我們不知道這些天然突變是不是最適合的突變。”魏鵬程解釋說，比如，一個(gè)突變可以讓水稻具有抗除草劑性狀，但也可能同時(shí)造成了生長(zhǎng)緩慢，甚至產(chǎn)量下降。

科學(xué)家猜測(cè)，天然突變可能無法讓一個(gè)基因完全發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。魏鵬程說，通過飽和突變，也就是在某些關(guān)鍵位點(diǎn)逐個(gè)嘗試不同的氨基酸替換突變，然后測(cè)試不同等位型的效果好壞與否，有可能找到最適合某一作物某一位點(diǎn)的突變。

“如何在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)重要基因關(guān)鍵位點(diǎn)的飽和氨基酸替換突變是該類研究的難點(diǎn)問題。”魏鵬程說。

許蓉芳表示，選擇水稻抗除草劑基因OsACC1作為研究對(duì)象，主要是基于該基因的功能，OsACC1基因是除草劑關(guān)鍵應(yīng)答基因，它可以通過抗性篩選實(shí)驗(yàn)來分辨不同表型。

通過大量實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)抗除草劑基因具有巨大的潛力。許蓉芳介紹，通過在6個(gè)已報(bào)道的潛在抗性位點(diǎn)上開展方法學(xué)研究，他們共發(fā)現(xiàn)16種不同類型的氨基酸替換突變可能與除草劑抗性獲得密切相關(guān)。其中有3個(gè)位點(diǎn)為植物中首次鑒定。

“引導(dǎo)編輯技術(shù)具有將目標(biāo)氨基酸突變?yōu)槠渌?9種氨基酸的能力，從而提供了關(guān)鍵功能位點(diǎn)的人工進(jìn)化新方法。”王克劍說，這實(shí)際上加快了進(jìn)化速度。

3、人工進(jìn)化更有優(yōu)勢(shì)

這實(shí)際上是一種定向進(jìn)化。魏鵬程解釋說，定向進(jìn)化是實(shí)驗(yàn)室中在分子水平的模擬自然進(jìn)化過程。也就是根據(jù)需求，針對(duì)目的蛋白人為制造大量的突變并給予選擇壓力，篩選出具有期望特征的變異型，進(jìn)而解決生產(chǎn)問題。

“我們篩選到了自然界中不存在的，甚至通過理化誘變和基因編輯也難以創(chuàng)制出來的位點(diǎn)。”魏鵬程說，這證明人工進(jìn)化方法相對(duì)于自然選擇的確存在優(yōu)勢(shì)，也大大拓寬了種質(zhì)創(chuàng)制的思路。

“研究人員利用這項(xiàng)技術(shù)成功篩選到多個(gè)水稻抗除草劑的新位點(diǎn)，顯出巨大應(yīng)用價(jià)值。”王克劍說，該研究不僅建立了作物基因定向進(jìn)化的新方法，也為充分挖掘重要基因新等位型，突破現(xiàn)有種質(zhì)資源限制，根據(jù)生產(chǎn)需求人工“定制”優(yōu)異性狀提供了新思路，具有重要的借鑒意義。

許蓉芳說，新篩選到的三個(gè)位點(diǎn)在目前的實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出較好的除草劑抗性，后續(xù)還要進(jìn)一步考察其抗除草劑的同時(shí)是否能夠保持較好的農(nóng)藝性狀。

“現(xiàn)有的引導(dǎo)編輯系統(tǒng)的效率還比較低，選擇基因位點(diǎn)時(shí)需要其他的一些輔助手段，如抗性篩選等，來減少工作量。隨著引導(dǎo)編輯系統(tǒng)效率的提高，這一方法將可用于更多其他功能基因的定向進(jìn)化。”許蓉芳說。

相較于其他方法，“通過人工進(jìn)化，我們篩選到的這些水稻的內(nèi)源位點(diǎn)，有可能很快就能直接用在生產(chǎn)上，來幫助實(shí)現(xiàn)水稻綠色生產(chǎn)模式。”魏鵬程說。他們已經(jīng)對(duì)新發(fā)現(xiàn)的基因位點(diǎn)進(jìn)行了知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。魏鵬程相信，隨著研究的深入和應(yīng)用的拓展，未來將有可能應(yīng)用到農(nóng)業(yè)實(shí)踐中。