比转基因更优秀！科学家用“分子剪刀”重组植物染色体 不含任何外来基因

CRISPR/Cas分子剪刀工作起来就像一种精细的外科手术器械，可以用来修改植物的遗传信息。

卡尔斯鲁厄理工学院(KIT) Holger Puchta教授和莱布尼茨植物遗传学和作物研究所(IPK)的Andreas Houben教授的研究团队首次不仅交换单基因，而且利用CRISPR/Cas技术重组整个染色体。

通过这种方式，可以在作物中组合所需的特性。他们使用拟南芥(Thale Cress)模式植物的研究成果发表在《自然植物》杂志上。

CRISPR/Cas技术

几千年来，人类一直利用生物的遗传物质随进化而改变这一事实，人为挑选和种植产量高、芳香性强、抗病虫害和极端气候条件的作物。

为此，他们选择具有各种优良性状的植物进行杂交。然而，这种方法非常耗时，也不可能阻止不利的性状进入植物。

随着科技发展，人们在植物选育方面从最初的系统选育发展到拥有杂交育种、杂种优势育种、诱变育种、分子标记辅助育种、转基因育种、基因编辑育种等多种手段。通过基因技术，现在人们能更精确地选择想要的性状，去芜存菁，节约更多时间。

分子生物学家Holger Puchta教授被认为是基因组编辑的先驱，他研究如何更快更精确地培育植物。

他使用分子剪刀专门修改携带作物遗传信息的DNA(脱氧核糖核酸)。他的CRISBREED项目获得了欧洲研究委员会(ERC) 250万欧元的预付款。

CRISPR全称是Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats(成簇的规律间隔的短回文重复序列)，而Cas的全称是CRISPR associated(CRISPR关联)，简称为CRISPR/Cas系统。

CRISPR/Cas系统早就存在于自然界中，它是一种原核生物的免疫防御系统，用来抵抗外来遗传物质的入侵，比如噬菌体病毒等。

同时，它还能为细菌提供获得性免疫(类似于哺乳动物的二次免疫)，在免疫系统中留下记忆，当病毒再次入侵时，CRISPR系统可以识别出外源DNA，并将它们切断，沉默外源基因的表达，抵抗病毒的干扰。

由于这种精确的靶向功能，CRISPR/Cas系统被开发成一种高效的基因编辑工具。在它的帮助下，基因可以很容易地移除、插入或交换。该技术通常被用于定点删除没用或有害的基因、定点修饰基因、定点插入基因(同物种不同品种间)。

CRISPR-Cas系统允许个性化的小的非编码RNA来介导靶标基因组DNA的切割，主要依赖于核酸内切酶在目标位置产生双链断裂，从而使基因能够通过非同源末端结合和同源连接的修复机制来修饰基因。

与转基因技术相比，经过该系统修饰后的作物不含任何外来基因。

经过CRISPR系统定点编辑过的作物，该基因可以稳定遗传到下一代，编辑作物通过后代自交或与野生型杂交，能够分离获得不含有任何转基因痕迹的非转基因株系。

在CRISPR/Cas系统中，CRISPR/Cas9系统是研究最深入，应用最成熟的一种类别，已经在拟南芥、烟草、大豆、番茄、马铃薯、水稻、小麦、玉米、高粱、矮牵牛、香蕉、甜橙、评估欧、毛白杨及地钱等植物中实现了成功编辑。

2019年6月，中国农业科学院作物科学研究所植物转基因技术研究中心、大豆育种技术创新与新品种选育创新团队，利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术定点敲除大豆开花调控关键基因GmFT2a和GmFT5a，创制出更适合低纬度地区种植的突变体材料。

研究新突破：第一次交换染色体臂

在CRISBREED内部，研究团队在使用CRISPR/Cas方面取得了决定性的进展:

在来自金黄色葡萄球菌的Cas9蛋白的帮助下，他们第一次在拟南芥模式植物(鼠耳芥)的染色体之间交换了臂。

从着丝粒到染色体两端之间的部分称为染色体臂，如果着丝粒不在染色体的中央，则可区分为长臂(q)和短臂(p)。

“基因组由一定数量的染色体组成，个体基因在这些染色体上以固定的顺序排列，”Puchta解释说。

“到目前为止，CRISPR/Cas只对单基因进行了修饰。现在，我们可以修改和重组整个染色体。”

这些新的染色体是可遗传的。

这项研究结果有望为作物栽培带来主要优势：通常很难同时结合正面性状和消除负面性状，因为决定性基因往往排列在同一染色体上非常接近，并一起传播。通过臂在染色体之间的交换，这些性状现在可以分离了。

Puchta解释说:“我们现在有可能专门控制染色体的变异，加强或放松属性之间的联系。”

“这种可控的基因组重组将给未来的作物种植带来革命性的变化。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/05/200527164331.htm

https://www.doc88.com/p-7109181391600.html

http://www.nsfc.gov.cn/csc/20340/20343/40412/index.html