目前基因編輯是最引人關注的農業(yè)科技之一。雖然醫(yī)藥公司用CRISPR技術尋找新藥的努力早已不算是新聞了，但該技術在農作物上的應用很有可能會比在醫(yī)藥上的應用更早實現(xiàn)。我們有理由相信基因編輯技術將會成為作物育種和農業(yè)生物技術研發(fā)過程中的一個重要工具，并推動農業(yè)領域的一場革命。


CRISPR-Cas9是基因編輯技術中的一種，可用來刪除或改變作物的某些性狀。近年來，科學家應用CRISPR-Cas9技術在物種改良、產量提高、抗逆耐逆性等方面，取得了諸多成果。下面小編帶大家看一看“魔剪”在農業(yè)應用中發(fā)揮的神奇魔力。

 
基因編輯技術與產量提高

 
美國冷泉港實驗室研究人員日前發(fā)表在Cell雜志上的一項新研究表明，使用CRISPR-Cas9基因編輯技術，編輯農作物“產量”基因的啟動子，可對作物數(shù)量性狀產生微妙影響。研究人員稱，育種專家可以利用這種手段“定制”農作物，以適應不同環(huán)境，從而提高作物產量。

 
利用基因編輯技術，通過基因啟動子對作物基因表達進行微調，而不是刪除基因或鈍化其編碼蛋白質的能力，可更靈活地改善作物的數(shù)量性狀。


研究人員在西紅柿上進行了試驗。他們利用CRISPR/Cas9技術快速地產生多種變異株，這些突變會影響三種獨立的重要性狀：果實大小、分枝結構和整體植物形狀。它們都是決定著植物產量的主要因素。這種方法適用于所有的食物作物、飼料作物和燃料作物，包括水稻、玉米、高粱和小麥。

 
論文通信作者、CSHL教授Zachary Lippman表示：“隨著人口的增加，當前的作物增產率并不能滿足地球的未來農業(yè)需求。最嚴重的限制之一是大自然并沒有給育種者提供足夠多的遺傳變異用于研究，特別是針對主要的能夠涉及幾十種基因的產量性狀。我們的實驗室如今利用CRISPR技術產生新的遺傳變異，這能夠加快作物改良，同時讓它的結果更可預測?！?nbsp;


另外美國北卡羅來納州立大學系統(tǒng)和合成生物學教授Heike Sederoff在一組實驗中使用CRISPR將一種使番茄有甜味的基因引入油料作物中，結果發(fā)現(xiàn)種子的產量翻番了。她在報告中稱，這一過程花費了不到兩年的時間，與之相比，舊的技術則需要10年的時間。從長遠來看，研究人員有可能會發(fā)現(xiàn)從番茄中分離的基因相似的油料作物中的基因，以求得到非轉基因的高產作物。

 
基因編輯與品種改良

 
水稻是世界三大糧食作物之一，它的產量和品質與人們的生活水平息息相關。然而若要改良水稻的性狀，傳統(tǒng)選育方式需要經過多代繁育和基因篩選，周期較長。利用基因編輯技術對其進行改良是高效便捷的方法，不過它的應用還存在一些局限性。

 
今年3月19日，《分子植物》（Molecular Plant）雜志在線發(fā)表了中國科學院上海生命科學研究院植物逆境生物學研究中心朱健康研究組題為Multiplex Gene Editing in Rice using the CRISPR-Cpf1 System 的研究論文。該工作在水稻中利用CRISPR/Cpf1系統(tǒng)實現(xiàn)多基因位點編輯，效率達到40-75%；同時該系統(tǒng)在載體構建上比CRISPR/Cas9系統(tǒng)更加簡單易行。該工作為水稻多基因定點編輯提供了一個簡單高效的新工具。

 
朱健康研究組利用Francisella novicida Cpf1 (FnCpf1)和 Lachnospiraceae bacterium ND2006 Cpf1 (LbCpf1)對水稻進行單位點和多位點基因敲除的測試，研究表明上述兩個Cpf1只需一條非常短的20-21bp的直接重復序列（direct repeats, DR）加上22-24bp的靶位點識別序列（guide）即可實現(xiàn)單基因敲除，更重要的是，把多個DR-guide單元直接串聯(lián)，只需要一個啟動子驅動即可簡單高效地實現(xiàn)多基因敲除。該研究利用4個DR-guide單元組成的CrRNA短陣列分別對水稻RLK和CYP81A家族的四個基因進行編輯，各位點的敲除效率達到40-75%。該系統(tǒng)簡單、高效地在水稻中實現(xiàn)了多基因定點編輯，拓展了CRISPR系統(tǒng)在植物中的應用，為水稻基因組定點編輯提供了一個新利器。


對于很多果實來說，成熟調控是能關乎到果實品質的一個過程。最近，朱健康研究組和郎曌博研究組的研究人員在 PNAS 雜志上發(fā)表了一項研究，利用 CRISPR/Cas 9 技術獲得了番茄 sldml2 的突變體植株，發(fā)現(xiàn)了番茄 SlDML2 調節(jié)的 DNA 去甲基化不僅可以激活成熟需要的基因，同時還可以抑制成熟不需要的基因，在調節(jié)番茄果實成熟的過程中發(fā)揮了重要作用。


在這項研究中，研究人員利用 CRISPR/Cas 9 技術獲得了番茄 sldml2 的突變體，SLDML2 基因與擬南芥中的 DNA 去甲基化酶基因 ROS1 具有很高的同源性。由于該基因的失活，使得全基因組范圍內的甲基化水平升高，誘導果實成熟的基因表達受到抑制，導致番茄果實不能正常成熟。研究人員進一步研究表明，SlDML2 參與了成熟相關基因的激活表達，主要參與了色素合成和口味形成、乙烯生物合成及信號傳導途徑、細胞壁水解等途徑中。 


另外，令研究者意外的是，SlDML2 介導的 DNA 去甲基化也抑制了果實成熟中并不需要的基因的表達，這些基因大多是參與光合作用及細胞壁合成的基因。這項研究不僅發(fā)現(xiàn)了 SIDML2 基因的 DNA 去甲基化功能，而且揭示了 DNA 去甲基化在果實成熟發(fā)育過程中的重要作用，極有可能調控著果實成熟發(fā)育的精確度。


這項發(fā)現(xiàn)揭示 DNA 甲基化可能是轉錄因子和植物激素之外的第三個最重要的調節(jié)果實成熟因子，具有重要的理論和應用價值。


雖然大部分基因編輯農作物從研究到商業(yè)化還有很長的路要走，不過已經有品種讓我們期待。杜邦公司在2016年初時宣布，在2020年即將誕生一款新的玉米品種。它將是史上第一例商業(yè)化的基因編輯農作物。


這類玉米的籽粒中支鏈淀粉的含量在97%以上，而普通的飼料玉米中支鏈淀粉含量只有75%左右。由于支鏈淀粉的吸水性更強，黏玉米的分離產物是更好的紙類黏合劑和食品增稠劑。


與傳統(tǒng)選育方式不同，科學家們利用CRISPR工具，不需要經過多代繁育篩選，也不需要引入任何外源基因，只是部分敲除了一些能夠產生直鏈淀粉酶的編碼基因，就創(chuàng)造出了一個表現(xiàn)優(yōu)良的黏玉米品種，同時對作物產量沒有不利影響。
 

基因編輯與植物耐逆
 

近期，中國農業(yè)科學院棉花研究所棉花抗逆鑒定課題組創(chuàng)建了一種簡單高效的耐鹽相關內源基因編輯突變體篩選方法，應用CRISPR/Cas9系統(tǒng)精確有效地編輯棉花的兩個耐鹽相關的內源基因，為棉花的基因功能研究和分子育種提供了新思路。相關論文在線發(fā)表于Scientific Reports 雜志上。


以往研究表明，CRISPR/Cas9系統(tǒng)可以在多種植物中對靶標基因進行高效編輯。作為異源四倍體棉花的陸地棉基因組大而復雜，獲得目標基因突變體的難度非常大，耐鹽性的研究是世界性難題，而CRISPR/Cas9系統(tǒng)為獲得棉花耐鹽突變體提供了非常好的思路。

 
科研人員研究發(fā)現(xiàn)，對選取的棉花兩個與耐鹽相關的內源基因GhCLA1和GhVP， CRISPR/Cas9在棉花的原生質體中表達后，兩個基因靶標位點的突變大部分是堿基的替換，而在轉基因棉花植株中，該系統(tǒng)造成的靶標位點突變大部分是堿基的缺失。研究還發(fā)現(xiàn)，CRISPR/Cas9系統(tǒng)在棉花細胞中具有目標特異性，即只瞄準那些為它們設定的目標基因?；诿藁ɑ蚪M大而復雜的特點，該研究表明利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)成功創(chuàng)建了一種對棉花內源基因編輯和篩選突變體的有效方法。