首创性新技术 | 揭示重复基因在植物中的作用和特性成为可能

以色列特拉维夫大学(Tel Aviv University)的研究人员在世界上首次成功开发出一种基因组规模的技术，使揭示迄今为止因功能冗余而隐藏的植物基因和性状的作用成为可能。

　　

   

   

Itay Mayrose 和Eilon Shani

第一次，在CRISPR技术的帮助下，科学家研发了一种新的大规模基因修饰方法，让揭示重复基因在植物中的作用和特性成为可能

预计这一发展将彻底改变农作物的改良方式，包括有针对性的改变，提高产量或抗旱和抗虫害等特性。  

据负责这一突破的特拉维夫大学的研究人员说:“这项新的发展使在基因组规模上控制和有针对性的作物改良成为可能。我们已经将这种方法应用于水稻和西红柿上，取得了巨大的成功，我们也打算将其应用于其他作物。”

以色列特拉维夫大学(Tel Aviv University)的研究人员在世界上首次成功开发出一种基因组规模的新技术，使其有可能揭示植物中的基因和性状的作用，这些基因和性状直到现在还被功能冗余所掩盖。

研究人员指出，自从农业革命以来，人类一直通过创造遗传多样性来改善植物品种以达到农业目的。但直到最近的发展，人们才有可能研究单一基因的功能，而这些基因只占基因组的20%。其余80%的基因组是由按家族分组的基因组成的，在整个基因组的大范围内，没有有效的方法来确定它们在植物中的作用。

作为这一最新研究的结果，研究小组成功分离并确定了几十个直到现在还被忽视的新特征。预计这一发展将彻底改变农作物改良的方式，因为它可以应用于大多数作物和农业性状，如提高产量和抗旱或抗虫害。

该研究由博士后Yangjie Hu博士在Eilon Shani教授和Itay Mayrose教授的指导下完成。来自法国、丹麦和瑞士的科学家也参与了这项研究。这项研究发表在《自然植物》杂志上。

作为研究的一部分，研究小组利用基因编辑的创新技术CRISPR和生物信息学和分子遗传学领域的方法，开发了一种定位植物特定性状基因的新方法。

Shani教授说:“几千年来，自农业革命以来，人类一直在通过促进遗传变异来改善不同的农业植物品种。但直到几年前，人们还不可能以一种有针对性的方式进行基因干预，而只能识别和促进随机产生的理想性状。基因编辑技术的发展现在可以对大量植物进行精确的改变。”

这组科学家解释说，尽管CRISPR等基因编辑技术得到了发展，但仍然存在一些限制其在农业上应用的挑战。其中之一是需要尽可能精确地确定植物基因组中的哪些基因负责培养特定的期望性状。解决这一挑战的公认方法是产生突变，即以不同的方式修改基因，然后检查由于DNA突变而导致的植物性状的变化，并从中了解基因的功能。

因此，例如，如果一种果实更甜的植物生长出来，就可以得出结论，这种被改变的基因决定了果实的甜度。这种策略已经使用了几十年，并且非常成功，但它也有一个根本问题:一种普通的植物，如西红柿或水稻，大约有3万个基因，但其中约80%不是单独起作用的，而是分成相似基因的家族。因此，如果来自某个基因家族的单个基因发生突变，则很有可能来自同一家族的另一个基因(实际上是与突变基因非常相似的拷贝)将代替突变基因掩盖表型。由于这种被称为遗传冗余的现象，很难在植物本身中产生变化，也很难确定基因的功能及其与特定性状的联系。

目前的研究试图通过使用CRISPR这种创新基因编辑方法来找到基因冗余问题的解决方案。Mayrose教授解释说:“CRISPR方法是基于一种叫做Cas9的酶，这种酶在细菌中天然存在，其作用是切割外源DNA序列。该酶可以关联一个sgRNA序列，该序列识别酶需要切割的DNA序列。这种基因编辑方法允许我们设计不同的sgRNA序列，使Cas9能够切割几乎任何我们想要改变的基因。我们希望将这项技术应用于改善对植物产生突变的控制，以改善农业生产，特别是克服基因冗余带来的常见限制。”

在第一阶段，生物信息学研究是在计算机上进行的，与该领域的大多数研究不同，它最初覆盖了整个基因组。研究人员选择把重点放在拟南芥植物上，它在许多研究中被用作模型，大约有3万个基因。首先，他们鉴定并分离了大约8000个单独的基因，这些基因没有家族成员，因此在基因组中没有副本。剩余的22,000个基因被划分为家族，并为每个家族计算设计合适的sgRNA序列。每个sgRNA序列都被设计成引导Cas9切割酶到具有整个家族特征的特定基因序列，目的是在所有家族成员中产生突变，使这些基因不再相互重叠。通过这种方式，建立了一个总计约59,000个sgRNA序列的文库，其中每个sgRNA本身能够同时修饰每个基因家族的2-10个基因，从而有效地中和了遗传冗余现象。

此外，根据假设的基因作用，如编码酶、受体、转录因子等，将sgRNA序列分为10个亚库，每个亚库约有6000个sgRNA序列。根据研究人员的说法，建立文库使他们能够集中精力并优化对所需性状负责的基因的搜索，到目前为止，这种搜索在很大程度上是随机的。

下一步，研究人员从计算机转移到实验室。在这里，他们生成了通过计算方法设计的所有59,000个sgRNA序列，并将它们与切割酶结合设计成新的质粒库(即环状DNA片段)。然后，研究人员培育了数千株含有这些文库的新植物——每株植物都植入了针对特定基因家族的单个sgRNA序列。

研究人员观察了基因组修改后植物中表现出来的特征，以及在特定植物中观察到有趣的表型。根据插入的sgRNA序列，很容易知道哪些基因导致了这种变化。此外，通过对鉴定基因的DNA测序，有可能确定导致这种变化的突变的性质及其对植物新特性的贡献。通过这种方式，许多迄今为止由于遗传冗余而受阻的新性状被绘制出来。具体来说，研究人员发现了包含与细胞分裂素激素运输机制相关的特定蛋白质，细胞分裂素对植物的最佳发育至关重要。

Shani教授总结道:“我们开发的新方法有望对了解植物过程的基础研究有很大帮助，但除此之外，它对农业也有巨大意义:它使我们能够有效和准确地揭示负责我们寻求改善的性状的基因库-例如对干旱，虫害和疾病的抵抗力，或提高产量。”我们相信这是农业的未来:大规模控制和有针对性的作物改良。今天，我们正在把我们开发的方法应用到水稻和番茄上，取得了巨大的成功，我们也打算把它应用到其他作物上。”

为此，特拉维夫大学的技术商业化公司(Ramot)与AgChimedes集团合作，成立了DisTree公司。这项金融投资，加上Agchimedes的业务和专业支持，将使DisTree能够将这项新技术应用于各种作物，目的是彻底改变世界农业的遗传学，并在气候危机时代实现营养安全。

原文标题：

Multi-Knock—a multi-targeted genome-scale CRISPR toolbox to overcome functional redundancy in plants

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