轉入肥胖基因改造RNA，作物增產50%

蕭簫 2021-08-01 13:45:58 來源：量子位

興坤 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

找到正確的道路，作物增產50%不是夢。

傳統的農業生產方式，對產量的提升程度有限。為了尋找新的突破，北大研究團隊從動物中做文章，利用動物肥胖基因讓植物“增肥”。

動物的基因在植物里能起到作用的，當然不是脂肪合成。控制脂肪合成的基因，要如何工作還受另外的基因控制。

而這種像司令官一樣指揮別的基因工作的基因，無論是動物還是植物中，下達命令的方式都是相同的。

所以，借動物中的司令官基因來用用，指揮植物基因的工作，加快生產進程，達到突破性提高作物產量的目的。

他們對水稻做了什么

讓植物受動物基因指揮，通俗來講，就是轉基因。

轉入動物肥胖基因FTO到水稻細胞中，用它來發揮控制基因表達的作用，以此達到提高產量的目的。

就具體轉入過程而言，就是將FTO基因片段搭載于環狀DNA，通過根癌農桿菌侵染植物細胞，進入到植物細胞中。

FTO基因在水稻細胞中表達的蛋白，可以擦除RNA甲基化修飾m6A，并且影響相關RNA功能表達。

這樣轉基因過程后的結果就是：

水稻單株產量提高到原來的三倍，大田種植轉基因水稻獲得1.5倍產量。

△Nipp-未改造株系；FTOmut-導入外源FTO基因但抑制其表達株系；FTO-過表達FTO基因株系

結果可不可靠，又是另一個值得討論的問題。

單子葉作物水稻，轉基因可獲得高產效果。雙子葉作物馬鈴薯，做同樣的轉基因處理，也得到了增產50%的成果。

△EM3-未改造株系；FTO-過表達FTO基因株系

除了增產，轉基因對水稻其他性狀也產生了影響。

轉入的基因促進根系頂端分生組織細胞增殖，提高了根系數目和根長數據。

轉基因水稻分蘗數增加，提高了光合作用效率，獲得了更多生物量積累。

FTO如何發揮作用

動物肥胖基因FTO在水稻細胞中，如何發揮控制水稻基因表達的作用？

要探究這個過程，就需要了解FTO蛋白的工作原理，以及相關的生理過程。

首先了解FTO蛋白的作用對象m6A。

m6A——RNA鏈上腺嘌呤第6位氮原子的甲基化修飾，是存在最多的mRNA修飾方式，在RNA翻譯蛋白質過程調控基因表達。
m6A主要存在于mRNA非翻譯區，參與mRNA加工過程，并起到翻譯起始、維持穩定性等作用。由甲基化轉移酶（Writers）、去甲基化酶（Erasers）和甲基化閱讀蛋白（Readers）共同調控。所有與RNA相關的功能均受m6A影響。

其次了解FTO在細胞中的作用。

FTO是第一個被發現的m6A脫甲基酶（Erasers），FTO蛋白擦除RNA鏈上m6A，可以促進染色質開放，激活轉錄。改變相關基因表達進程。

FTO介導的去甲基影響細胞生長和繁殖，在哺乳動物中與脂肪發育密切相關。在植物中，引入m6A脫甲基酶調節m6A水平，同樣可以起到改變植物生長的作用。

轉入并成功表達的FTO分別使水稻葉片和根系中約11000、7000個基因表達量增加，激活多個生理通路。

△展示多個與FTO蛋白相關生理過程中基因的表達量變化

這項技術的應用前景

以上研究內容表明，轉入FTO蛋白基因對水稻產量的提升取得了突破，該技術在農作物增產方面具有應用價值。

FTO基因經驗證可以使不同作物均有效提高產量，證明這個方法具有普遍適用價值。對大多數植物只需要打開“FTO”開關，即可實現產量的大幅度提升。

FTO對功能基因表達的調控，不僅增加了產量，也改變了作物根系等農藝性狀，提高了耐干旱能力，對特用作物的品種改良提供新思路。

例如，植物改造過后的發達根系應用在防風固沙方面；貧瘠環境下牧草青飼料等提高生物總量；用于改善土質修復土壤的特用作物，適應更惡劣環境等。

轉基因安全性的思考

既然這項技術應用前景廣闊，那么未來發展方向就是被迅速推廣，但是它作為轉基因技術，安全性是廣泛應用的重要前提。

研究單位何川課題組對此回應：“轉入基因是人類體內常見的FTO蛋白基因，通過對植物RNA表觀修飾進行編輯，開啟了植物高產、高生物量的通路。”

一方面被轉入的外源基因是人體內原有的基因，另一方面基因起作用在RNA翻譯蛋白質過程，理論上沒有直接參與生物質的合成。

同時何川教授也強調，期待國家出臺針對性審批標準，以推動這項技術在安全規范的前提下推廣落地。

研究團隊

該研究主要由北京大學賈桂芳課題組、美國芝加哥大學何川課題組、貴州大學宋寶安課題組開展進行。

2010年，何川首次提出“RNA表觀遺傳學”，預測了RNA上可能存在可逆化學修飾。

2011年，賈桂芳與何川課題組其它成員一起發現了第一個m6A去修飾酶FTO，首次揭示了RNA甲基化修飾的動態可逆，開啟了“RNA表觀遺傳學”新方向。

參考論文:
https://www.nature.com/articles/s41587-021-00982-9

參考鏈接:
https://phys.org/news/2021-07-rna-breakthrough-crops-potatoes-rice.html