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生物学家通过基因编辑培育保留有益特性的作物新品种
日期:2018-10-30 作者:编译:串丽敏 来源:农科智库 点击:
     数千年来,小麦、玉米等作物经历了漫长的育种过程,为了让野生植物适应并满足人类的需求,人们一步步地对这些植物的特性做出驯化。其中之一就是增产。但是这种育种过程也有一定“副作用”,即减少了基因多样性、损失了一些有用的特性,比如表现在现在的植物品种易受疾病侵袭、味道寡淡、或者营养成分减少等。如今,来自巴西、美国和德国的研究人员利用CRISPR-Cas9现代基因组编辑技术,将野生植株在一代之内培育出了新品种:将大量作物特征引入一个“野生西红柿”,同时又保留其有益的基因特性。研究结果已刊登于《Nature Biotechnology》期刊上。
    德国明斯特大学(University of Münster)的生物学家约尔格·库德拉(Jörg Kudla)教授和他的团队目前正在参与该项研究,认为这种新方法能让他们从头开始研究一种新的驯化过程。这种方法能够用到所有植物遗传学和植物驯化的相关知识,这些知识是过去几十年来研究人员慢慢积累下来的。他们能够把野生植物的基因潜力尤其是有益的特性保存下来,与此同时在很短的时间内培育出现代作物所需的理想化特性。
    研究人员选择的母本植物是醋栗番茄(Solanum pimpinellifolium),这一原产于南美的品种是野生番茄的亲缘植物,也是现代栽培番茄的始祖。野生醋栗番茄的果实仅有豌豆大小,产量较低,因此不适宜作为作物来种植。然而这种果实的香气比现代番茄要浓郁,后者由于经历了育种过程而失去了一些香气。此外,野生醋栗番茄的番茄红素含量更高。人们认为这种番茄红素抗氧化剂能让人体保持健康,因此十分受欢迎。
    研究人员利用“多重CRISPR-Cas9”技术,对野生醋栗番茄的基因组进行了改良,使其后代的六个基因出现了微小的变化。这六个起到决定性作用的基因在过去几年中已经得到研究人员的认可,并被视为是驯化番茄特性基因的关键。具体来说,相较于野生番茄,研究人员进行了以下改良:改良品种的大小是野生品种的三倍,相当于樱桃番茄的大小;果实数量增加了九倍;相对于圆形的野生品种,改良品种为椭圆形。最后一种改良特性备受欢迎,因为一旦下雨,圆形果实会比椭圆形果实更快开裂。改良品种的生长过程也更为紧凑。
    另一重要的新特性是番茄新品种中含有的番茄红素是野生母本品种的两倍多,并且不低于常规樱桃番茄的五倍。这是一个决定性的创新,它不能通过任何传统的育种过程与目前栽培的番茄来实现。由于番茄红素能帮助预防癌症和心血管疾病,因此从健康的角度来讲,创造的新品种番茄可能还有附加价值,因为普通的栽培番茄以及其他蔬菜的番茄红素含量十分有限。到目前为止,虽然育种人员一直想要增加栽培番茄的番茄红素含量,但都无功而返。就算偶有成功的案例,也是以牺牲了β-胡萝卜素为代价。后者同样是一种能够保护细胞的珍贵的成分。
    研究人员也指出,现在的作物无论是优点还是缺点,都是育种的产物。很多特性如复原力,都已经不存在了,如果要重新赋予植物这些失去的能力,只能通过几十年如一日辛勤地和野生植株进行回交获得。之所以这么做,是因为经过无数基因相互作用而产生的特性无法通过传统育种工艺恢复。所以某种意义上,驯化过程就像一条单行道。得益于现代基因组编辑技术,研究者能够利用野生植物的优势来解决这一育种问题。分子的“从头驯化”给育种提供了巨大潜力,来生产称心如意的作物品种。对于那些至今为止人类未曾利用过或极少利用过、同时又十分健康的植物,还能通过有针对性地增加它们的果实体积或其他驯化特性把它们转变为全新的品种。
(来源:Science Daily  北京市农林科学院农业信息与经济研究所报道)
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