发布日期： 2024年06月20日
来源：Science Advances
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来自加州大学伯克利分校创新基因组研究所(UCB)的研究人员通过改变一种粮食作物的上游调控DNA，成功地增加了其基因表达。与先前利用CRISPR/Cas9基因编辑消除或减少基因表达的研究不同，这项新研究代表了第一个无偏倚的基因编辑方法来增强基因表达并提高下游光合活性。
“像CRISPR/Cas9这样的工具正在加速我们微调作物基因表达的能力，而不仅仅是敲除基因或关闭它们。过去的研究表明，这种工具可以用来减少参与重要权衡的基因的表达，比如植物结构和果实大小之间的权衡，”该研究的第一作者、UCB Niyogi实验室的前博士后研究员Dhruv Patel-Tupper说。“据我们所知，这是第一项研究，我们询问是否可以使用相同的方法来增加基因的表达，并以公正的方式改善下游活动。”
该研究发表在《Science Advances》杂志上，是实现提高光合效率(RIPE)项目的一部分，该项目是由伊利诺伊大学领导的一项国际努力，旨在通过提高粮食作物的光合效率来增加全球粮食产量。
与使用其他生物基因来改善光合作用的合成生物学策略相反，参与光保护过程的基因自然存在于所有植物中。2018年《Nature Communications》发表的一篇论文称，通过在植物中过度表达其中一种基因PsbS，提高了作物的用水效率。Niyogi实验室及其负责人克里斯·尼约吉(Kris Niyogi)受到该论文的启发，想要弄清楚如何在不添加外源DNA的情况下改变植物原生基因的表达。考虑到大米是一种主食，并且三个关键光保护基因中的每一个只有一个拷贝，它被选为本研究的理想候选者。
研究人员使用CRISPR/Cas9改变了目标基因上游的DNA，该基因控制着基因的表达量和时间。他们的目标是发现这些变化是如何增强下游活动的。
他们的实验结果超出了预期。美国农业部美国科学促进会科技政策研究员Patel-Tupper说:“增加基因表达的DNA变化比我们预期的要大得多，也比我们在其他类似报道中看到的要大得多。我们有点惊讶，但我认为这表明植物和作物有多大的可塑性。经过数百万年的进化和数千年的驯化，它们已经习惯了DNA的这些巨大变化。作为植物生物学家，我们可以利用这种‘摆动空间’在短短几年内做出巨大改变，帮助植物更有效地生长或适应气候变化。”
研究人员了解到，调控DNA的倒置或“翻转”导致PsbS基因表达增加。这个项目的独特之处在于，在对DNA进行最大的反转之后，团队成员进行了RNA测序实验，以比较水稻基因组中所有基因的活性在修改和未修改的情况下是如何变化的。他们发现的是非常少量的差异表达基因，比类似的转录组研究要少得多，这表明他们的方法并没有损害其他基本过程的活性。
Patel-Tupper补充说，虽然研究小组表明这种方法是可能的，但它仍然相对罕见。他们培育出的植株中约有1%具有理想的表型。
Patel-Tupper解释了这项研究的影响:“我们在这里展示了一个概念验证，我们可以使用CRISPR/Cas9来产生关键作物基因的变体，并获得与传统植物育种方法相同的飞跃，但我们想要在更快的时间内设计一个非常集中的性状，这肯定比使用转基因植物的方法更困难，但通过改变已经存在的东西，我们可能能够先发制人地解决监管问题，这些问题可能会减慢我们将这种工具送到农民手中的速度。”
参考文献:“Multiplexed CRISPR-Cas9 mutagenesis of rice PSBS1 noncoding sequences for transgene-free overexpression” by Dhruv Patel-Tupper, Armen Kelikian, Anna Leipertz, Nina Maryn, Michelle Tjahjadi, Nicholas G. Karavolias, Myeong-Je Cho and Krishna K. Niyogi, 7 June 2024, Science Advances.
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