引導編輯創製的抗除草劑水稻新種質。 魏鵬程供圖

■本報記者 李晨

近日，中國科學家在《自然—植物》發表最新研究成果，利用引導編輯技術首次在水稻中實現定向進化，並創製了可供育種的新種質。

“我們(men) 的工作證明人工進化相對於(yu) 自然選擇存在一定優(you) 勢，這可以讓作物改良的進程大大加快。”論文通訊作者、安徽農(nong) 業(ye) 科學院研究員魏鵬程在接受《中國科學報》采訪時說。

中國農(nong) 業(ye) 科學院中國水稻研究所研究員王克劍告訴《中國科學報》，相較於(yu) CRISPR靶向突變和單堿基編輯技術，引導編輯技術提供了關(guan) 鍵功能位點的人工進化新方法。

窮盡64種組合

基因組中的堿基有4種。2013年出現的基因編輯技術可以實現堿基之間的轉換。2017年，科學家實現了高效的T轉換為(wei) C、A轉換為(wei) G。2019年10月，又實現4種堿基之間的任意轉換，也就是引導編輯技術。

1年零8個(ge) 月後，引導編輯技術在哺乳動物中開發成功，在植物中成功建立並優(you) 化，在水稻中實現功能位點的全部20種氨基酸編輯並創製新種質。

“早期的基因編輯方法（靶向突變）隻能在某個(ge) 片段上產(chan) 生一個(ge) 突變，也就是說能控製突變的位置，而不能控製突變的形式。”魏鵬程說，其他傳(chuan) 統理化誘變等技術也無法控製突變形式。

而且，靶向突變往往插入或者刪掉一個(ge) 片段，造成的是功能的破壞。“但生產(chan) 上需要的不是這種功能的破壞，而是把相應位點的功能調高一點或者調低一點，甚至創造新的功能。”魏鵬程說，利用早期的單堿基編輯技術達不到這個(ge) 目標。

科學家一直想在一個(ge) 基因位點上嚐試所有可能的突變形式，也就是試試所有氨基酸會(hui) 產(chan) 生什麽(me) 樣的表型。

論文第一作者許蓉芳介紹，3個(ge) 堿基組成1個(ge) 氨基酸，而4種堿基的隨機排列有64種組合，這些組合對應所有20種氨基酸。在他們(men) 的研究中，利用引導編輯技術，可以在特定位點上實現所有64種堿基組合的轉換，即完成單個(ge) 氨基酸位點的飽和突變。

“體(ti) 外飽和突變篩選是目前研究蛋白質功能的重要手段，但在真核生物體(ti) 內(nei) 實現關(guan) 鍵氨基酸高頻替換，尚存在較大技術難度。”王克劍說，這項研究成功地在水稻中建立了可實現體(ti) 內(nei) 特定位點氨基酸飽和替換突變的新型技術策略，可以獲得不同的表型，解決(jue) 了上述技術難題。

創製自然界中不存在的新位點

遺傳(chuan) 變異是作物育種基礎。魏鵬程介紹，盡管近年來功能基因組研究為(wei) 作物分子育種提供了大量主效改良位點/基因，但由於(yu) 傳(chuan) 統誘變靶向性不足、突變隨機性較大等技術問題，在多數情況下，挖掘和鑒定這些主效基因最適於(yu) 生產(chan) 的等位型仍較為(wei) 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(chan) 生的。“但我們(men) 不知道這些天然突變是不是最適合的突變。”魏鵬程說，比如一個(ge) 突變可以讓水稻具有抗除草劑性狀，但也可能同時造成了生長緩慢，甚至產(chan) 量下降。

科學家猜測，天然突變可能無法讓一個(ge) 基因完全發揮優(you) 勢。魏鵬程說，通過飽和突變，也就是在某些關(guan) 鍵位點逐個(ge) 嚐試不同的氨基酸替換突變，然後測試不同等位型的效果好壞與(yu) 否，有可能找到最適合某一作物某一位點的突變。

“如何在體(ti) 內(nei) 實現重要基因關(guan) 鍵位點的飽和氨基酸替換突變是該類研究的難點問題。”魏鵬程說。

許蓉芳告訴《中國科學報》，選擇水稻抗除草劑基因OsACC1作為(wei) 研究對象，主要是基於(yu) 該基因的功能，它是除草劑關(guan) 鍵應答基因，可以通過抗性篩選實驗分辨不同表型。

許蓉芳介紹，通過在6個(ge) 已報道的潛在抗性位點上開展研究，他們(men) 共發現16種不同類型的氨基酸替換突變可能與(yu) 除草劑抗性獲得密切相關(guan) ，其中有3個(ge) 位點為(wei) 在植物中首次得到鑒定。

“引導編輯技術具有將目標氨基酸突變為(wei) 其他19種氨基酸的能力，從(cong) 而提供了關(guan) 鍵功能位點的人工進化新方法。”王克劍說，這實際上加快了進化速度。

人工進化存在優(you) 勢

這實際上是一種定向進化。魏鵬程解釋說，定向進化是在實驗室中在分子水平模擬自然進化過程。也就是根據需求，針對目的蛋白人為(wei) 製造大量的突變並給予選擇壓力，篩選出具有期望特征的變異型，進而解決(jue) 生產(chan) 問題。

“我們(men) 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製出來的位點。”魏鵬程說，這證明人工進化方法相對於(yu) 自然選擇的確存在優(you) 勢。

王克劍說，該研究也為(wei) 充分挖掘重要基因新等位型，突破現有種質資源限製，根據生產(chan) 需求人工“定製”優(you) 異性狀提供了新思路。

許蓉芳告訴《中國科學報》，新篩選到的3個(ge) 位點在目前的實驗中表現出較好的除草劑抗性，後續還要進一步考察其抗除草劑的同時能否保持較好的農(nong) 藝性狀。

“現有的引導編輯係統的效率還比較低，選擇基因位點時需要其他的一些輔助手段，如抗性篩選等，來減少工作量。隨著引導編輯係統效率的提高，這一方法將用於(yu) 更多其他功能基因的定向進化。”許蓉芳說。

相較於(yu) 其他方法，“通過人工進化，我們(men) 篩選到的這些水稻的內(nei) 源位點，有可能很快就能直接用在生產(chan) 上，幫助實現水稻綠色生產(chan) 模式。”魏鵬程說。

相關(guan) 論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-021-00942-w