“超级植物”技术打通植物“任督二脉”

2021-08-19 10:13:35

将一种人和动物体内常见的蛋白,转入植物体内,会发生什么?答案是,这些植物长成了壮大繁茂的“超级植物”!

北京大学研究员贾桂芳课题组与美国芝加哥大学教授何川课题组、贵州大学宋宝安院士课题组,首次开发了利用RNA表观遗传修饰N6—甲基腺嘌呤(m6A)直接提高植物生物量、产量和抗逆性的新技术。近日,相关论文发表于《自然—生物技术》。

“这项技术有潜力改变传统育种思路,有很大的应用前景。”论文通讯作者之一的何川对《中国科学报》说,“因为我们需要更多的植物原材料,去解决迫在眉睫的粮食危机、生态环境修复等问题。”

打通植物“任督二脉”

2010年,何川首次提出“RNA表观遗传学”的猜想,在生命科学领域引起重大反响。而这项“超级植物”技术,就是他们在开展RNA表观遗传学研究时,意外摘得的一枚“果实”。

贾桂芳是这篇论文的另一位通讯作者。2011年时,她作为何川课题组的一名博士后,和实验室其他成员一起发现了第一个RNA化学修饰m6A的去修饰酶——FTO,首次揭示了RNA上的甲基化修饰动态可逆,且对基因表达具有重要的调控功能。这次的发现正式开启了“RNA表观遗传学”这个新的研究领域。

贾桂芳回到北京大学后,开始以植物为主要研究对象,开展RNA表观遗传学研究。“FTO是一个主要存在于动物体内的蛋白,能调控动物的生长发育,跟肥胖也有关系。这个蛋白在植物里是没有的。”贾桂芳告诉《中国科学报》,“但当我们把这个蛋白转入植物体内后,却发现植物对它的反应非常强烈,似乎能调控植物的多种表型,特别是会让它们的产量、生物量变大。”

研究人员选择了水稻和马铃薯两种重要的经济作物,引入FTO,从而实现对这些植物的RNA修饰m6A去甲基化。结果发现,实验室内的水稻单株产量增加达3倍之多。而在田间,水稻和马铃薯的产量和生物量也显著增加了约50%。

进一步研究发现,FTO蛋白的过表达可显著促进水稻分蘖形成和根系生长,增强光合作用,还提高了抗旱能力。研究人员分析了相关分子机理,发现FTO介导的m6A去甲基化可以促进染色质开放、激活转录,分别使叶片中约11000个基因和根里面约7000个基因表达上调,激活多个通路。

只需拨动FTO开关

水稻是单子叶植物,马铃薯是双子叶植物,在进化上的亲缘关系并不近。一种蛋白能同时打通它们的“任督二脉”,这意味着什么?

“意味着这种技术对植物具有普适性。”何川说。研究人员还在其他多种植物上试用了这项技术,都得到了相似的结果。

研究人员把这些个头奇大的水稻和马铃薯送到专门的农产品检验机构进行成分检测,至少从数据来看,“超级作物”的蛋白质、碳水化合物含量等品质参数与对照组无异。

在何川看来,这项研究的重要意义在于,它可以和各种现有育种模式结合。“过去育种,要针对某一种植物,研究它的特定通路,找到特异性的改造方法。这种方式复杂且有局限性,比如同样是桃子,A品种的口感更好,但是研究出的增产方式却只适合不那么好吃的B品种;同样是水稻,你培育出的高产品种在东北长得好,移栽到南方却不一定行。”他说,“但有了我们这种方法,对大多数植物,只要拨动一个名为‘FTO’的开关,就可能让它们迅速提高产量——感觉有点简单‘粗暴’、直截了当。”

这项技术不仅仅可以用来为粮食作物增产。何川介绍,由于“超级植物”的根系也非常发达,将来可以将这项技术用在具有防风固沙、修复土壤等功能的“特种植物”上,让它们如虎添翼,更好地发挥作用。

“超级植物”来了,我们准备好了吗?

“这项工作很有意思,它激活了植物内部本身存在但我们之前一直不了解的开关。这意味着RNA表观遗传学技术可能将在农业和生态领域大放异彩。”未参与该工作的中国科学院院士种康在接受《中国科学报》采访时说。

除水稻和马铃薯外,他还期待这项技术未来应用于树木、草和其他经济作物的改良,为生态改善和环境治理作出贡献。

与此同时,人们也难免要问:这样一项技术,是不是足够安全呢?“超级植物”可以被端上餐桌吗?

对此何川解释,“超级植物”转入的是人类和家畜体内都非常常见的FTO蛋白,通过对植物RNA表观修饰进行编辑,开启了植物高产、高生物量的通道。这项研究启动的重要通路,相信未来应该会被用于继续研发一系列的农业育种技术。

“当然,我们也期待国家出台针对性的审批标准,让这项技术在安全规范的前提下推广落地。”他说。

种康也强调:“每一项新技术出现后,健全相关法规和标准都是需要时间的。这项技术作为首个表观遗传育种技术的成功案例,显示出巨大的应用潜力,当然,在生产上的应用还需要按照国家相关法规的规定程序审定品种。”

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