农科视窗(7)|神奇“剪刀”咔嚓一下,世界首例香味玉米山东问世

农村大众陈建志
2021-07-12 13:59:01     来源:大众报业·农村大众客户端

香味玉米的果穗。(王飞供图)

世界首例香味玉米,最近在山东问世。

《植物学报》英文版(JIPB)近日在线发表研究论文称:利用CRISPR/Cas创制出一种香味玉米。第一作者和通讯作者所在单位分别是:山东师范大学和山东舜丰基因编辑研究院。

科研人员创制香味玉米使用的工具,是CRISPR/Cas,属于基因编辑技术,或称基因组编辑技术。这是一项先进而神奇的技术。

两位女科学家埃马纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和詹妮弗·杜德纳(Jennifer A.Doudna),就是“凭借开发基因组编辑方法”作出的卓越贡献,而荣获2020年诺贝尔化学奖的。

2020年诺贝尔化学奖得主。

01

两位女科学家携手

发明神奇基因“剪刀”

埃马纽埃尔·卡彭蒂耶,1968年出生于法国奥尔日河畔瑞维西,现任德国柏林马克斯·普朗克病原学研究室主任;詹妮弗·杜德纳,1964年出生于美国华盛顿特区,目前是美国加州大学伯克利分校教授,霍华德·休斯医学研究所研究员。

起初,两个人并不相识,一个在欧洲,一个在美洲,各干各的。

2002年,卡彭蒂耶在奥地利维也纳大学,研究化脓性链球菌。这种细菌每年感染数以百万计的人,引发扁桃体炎和脓疱等疾病。更可怕的是,它可能破坏人体软组织,导致败血症的发生,危及人的生命。她不满足于解决浅层的问题,打算深入揭示化脓性链球菌的基因调控过程。这个目标成了她发明基因编辑技术的起点。

2006年,詹妮弗·杜德纳正在美国加州大学伯克利分校,带领团队从事“核糖核酸(RNA)干扰”现象的研究。

后来,杜德纳博士无意中听一位同事讲,研究细菌和古细菌的遗传物质时有个新发现:存在“成簇的规则间隔的短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)”,缩写为CRISPR。CRISPR中独特的非重复的序列,似乎与病毒的遗传密码相匹配,因此被视为细菌的古老免疫系统的一部分,可以保护细菌和古细菌免受病毒侵染。如果细菌成功地抵抗了病毒感染,它会将一部分病毒的遗传密码添加到其基因组中,作为对感染的记忆。

除了CRISPR序列之外,细菌内部还存在一种特殊基因Cas。杜德纳博士发现这些基因与编码专门用于解链和切割DNA的蛋白质的基因非常相似。那么,疑问随之而来:Cas蛋白是否具有相同的功能?它能切割病毒DNA吗?

暑来寒往,春华秋实。数年之后,杜德纳博士领导的研究小组成功地揭示了几种不同的Cas蛋白的功能;还得知,细菌的免疫系统具有不同的类别。她们研究的CRISPR / Cas系统属于第1类。这是一个复杂的机制,需要许多不同的Cas蛋白协同作用来清除病毒。

第2类系统则很简单,它们需要的蛋白质很少。远在美国的埃马纽埃尔·卡彭蒂耶,恰好遇到了这类系统。

当时,卡彭蒂耶与人合作,对化脓性链球菌内部的小RNA进行了定位。进一步研究发现,这一新型小RNA分子的一部分与CRISPR基因中的重复序列存在部分匹配。根据目前的研究得知,化脓性链球菌中的CRISPR系统属于第2类,即仅需蛋白Cas9,便可达到靶向裂解病毒DNA的目的。

卡彭蒂耶在微生物学研究领域经验丰富,但她涉足新领域,研究CRISPR-Cas9系统之后,希望与更加专业的科学家合作。

2011年,埃马纽埃尔·卡彭蒂耶博士应邀前往波多黎各,参加一次学术会议,邂逅詹妮弗·杜德纳博士,两人相见恨晚。

卡彭蒂耶问杜德纳:是否想研究化脓性链球菌的基因编辑系统?

杜德纳不假思索地回答:很感兴趣!

两人相谈甚欢,经过一番讨论之后猜测:细菌需要CRISPR-RNA来识别病毒的DNA序列,而Cas9则是最终切断DNA分子的“剪刀”。

功夫不负有心人。研究人员经过多次试验,终于将tracrRNA添加到他们的系统中。当Cas9获得tracrRNA时,DNA分子被顺利切割成两部分。

而后,在杜德纳实验室里,一个划时代的实验开始了——

研究人员对一个DNA分子确定了5个可以切割的部位。然后,他们改变“剪刀”的CRISPR部分,使其代码与要切割的部位的序列相匹配。结果如人所愿, DNA在确定的位置被切割。

02

神奇基因“剪刀”

如何施展魔力

埃马纽埃尔·卡彭蒂耶和詹妮弗·杜德纳合作研究,于2012年发明了CRISPR / Cas9基因剪刀。仰仗这把神奇的“剪刀”,研究人员可以极其精确地改变动物、植物和微生物的DNA。

基因“剪刀”是如何施展魔力的?

先说什么是基因。以玉米为例。每一棵玉米植株都是由大量体细胞构成的。每个正常体细胞的细胞核内都有20条染色体,其中一半来自父本,一半来自母本,分别携带着来自父母本的遗传信息。染色体是由脱氧核糖核酸(DNA)和蛋白质构成的。有遗传效应的一段脱氧核糖核酸就是一个基因,每个脱氧核糖核酸(DNA)均包含大量基因,蕴藏着许多遗传密码。

被誉为基因“剪刀”的基因编辑,又叫基因组编辑,是对基因组进行定点修饰的一项新技术。科研人员利用基因编辑,可以精确地定位基因组的某一位点,或者插入某个基因,或者敲除某个基因,或者定点突变使某个基因失活,均可直接有效地研究该基因的功能以及它对植物或者动物性状的影响。

这种基因“剪刀”使用起来非常方便和容易,已被广泛应用于动物基础研究之中。例如,它可以用于改变实验动物细胞的DNA,以便了解不同基因如何发挥作用以及如何相互作用。

基因“剪刀”也是农作物育种的标准工具。假如有一片稻田,土壤中的重金属镉和砷超标。如何使得收获的稻米之中镉和砷含量不超标?通常是用物理或化学技术,来处理土壤,减少土壤中的镉和砷。有了基因“剪刀”,便可采用一种新方法,即从水稻育种入手,编辑水稻的特定基因,使水稻新品种自身减少从土壤吸收重金属的数量,从而降低稻米中镉和砷的含量。

基因“剪刀”还被应用于改良农产品,提升其质量。日本筑波大学科研人员最近培育成功一种西红柿,比普通西红柿含有更多的γ-氨基丁酸。γ-氨基丁酸参与大脑新陈代谢,可改善记忆,有助于减少焦虑;还能促进血管扩张,降血压。

利用基因编辑方法创制香味玉米的模式图。(王飞供图)

03

打算与企业合作

培育香味玉米品种

色香味俱全是对一道美味菜肴的最好评价。怡人的香味往往给消费者带来更好的饮食体验,这一标准也同样适用于主食。比如,香米比普通大米更能激发人的食欲,更容易被人们所接受。香米的价格一般是普通大米的两倍或更多。

2021年5月2日,在《植物学报》英文版(JIPB )发表的论文《利用CRISPR/Cas创制香味玉米》,第一作者是山东师范大学研究生王彦晓,通讯作者是山东舜丰基因编辑研究院王飞博士。

7月11日,王飞博士接受了大众报业·农村大众记者的采访。他介绍,香味已经成为水稻育种的一个主要目标性状。与普通大米相比,香米具有200多种特异的芳香物质,其中2-乙酰-1-吡咯啉 (2-acetyl-1-pyrroline,2AP) 是其中最主要的一种香味物质。香米中甜菜碱醛脱氢酶2 (BETAINE ALDEHYDE DEHYDROGENASE 2, BADH2)的功能缺陷是导致2AP积累的原因。虽然在水稻、大豆、绿豆、高粱、黄瓜、椰子等多种作物中发现了香味种质,但是在玉米中一直没有香味种质的报道。

王飞团队通过生物信息学分析发现,在玉米基因组中存在两个水稻BADH2基因的同源基因,ZmBADH2a和ZmBADH2b。利用基于CRISPR/Cas的基因组编辑技术在普通玉米自交系郑58和糯玉米自交系N355、LN005M、XCW175中创制了zmbadh2a-zmbadh2b的双突变体以及zmbadh2a和zmbadh2b各自单突变体。在zmbadh2a-zmbadh2b双突变体的种子中可以闻到香米的香味,而在单突变体和野生型中均不能闻到香味。通过GC-MS(气相色谱-质谱联用仪)在双突变体种子中检测到了2AP,最高可达每千克0.723毫克,而在单突变体和野生型种子中均不能检测到2AP。另外在授粉后25天左右,处于鲜食期的糯玉米zmbadh2a-zmbadh2b双突变体的种子中也能检测到2AP。

这些结果表明:在玉米中,ZmBADH2a和ZmBADH2b存在时,会走到与调控2AP合成之路不同的岔路上。科研人员运用基因编辑技术,同时敲除ZmBADH2a和ZmBADH2b,创制了世界首例香味玉米。

山东舜丰基因编辑研究院的员工在进行玉米遗传转化工作。(王飞供图)

王飞博士接受采访时说,他们已于2020年6月份申报香味玉米发明专利,并于2020年9月在江苏扬州召开的“第七届全国植物生物技术与产业化大会暨植物基因编辑技术与应用专题研讨会”上首次对外报告。目前,他们正在联系有关种业企业,携手选育香味玉米品种。

(本文学术顾问:山东舜丰基因编辑研究院王飞博士)

大众报业·农村大众记者 陈建志

策划:段书强

往期回顾,点击阅读:

农科视窗(1)|“海水稻”价值几何?来看看耐盐碱水稻育种的山东实践

农科视窗(2)|一棵野草与小麦杂交成功,为何赢得院士们点赞?

农科视窗(3)|除了“瓜奶奶”吴明珠院士选育的瓜,你还吃过哪些瓜

农科视窗(4)|非洲西来瓜,硕果遍华夏,山东设施栽培技术辐射全国

农科视窗(5)|小小艾草,竟成就一个大产业

农科视窗(6)|杂交马铃薯问世!揭秘背后创新故事

责任编辑:段书强    
立即打开 扎根基层 三农挚友 第一时间阅读农村大众