兴坤 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
【过程|转入肥胖基因改造RNA，作物增产50%】找到正确的道路 ， 作物增产50%不是梦 。
传统的农业生产方式 ， 对产量的提升程度有限 。 为了寻找新的突破 ， 北大研究团队从动物中做文章 ， 利用动物肥胖基因让植物“增肥” 。
动物的基因在植物里能起到作用的 ， 当然不是脂肪合成 。 控制脂肪合成的基因 ， 要如何工作还受另外的基因控制 。
而这种像司令官一样指挥别的基因工作的基因 ， 无论是动物还是植物中 ， 下达命令的方式都是相同的 。
所以 ， 借动物中的司令官基因来用用 ， 指挥植物基因的工作 ， 加快生产进程 ， 达到突破性提高作物产量的目的 。
他们对水稻做了什么
让植物受动物基因指挥 ， 通俗来讲 ， 就是转基因 。
转入动物肥胖基因FTO到水稻细胞中 ， 用它来发挥控制基因表达的作用 ， 以此达到提高产量的目的 。
就具体转入过程而言 ， 就是将FTO基因片段搭载于环状DNA ， 通过根癌农杆菌侵染植物细胞 ， 进入到植物细胞中 。
FTO基因在水稻细胞中表达的蛋白 ， 可以擦除RNA甲基化修饰m6A ， 并且影响相关RNA功能表达 。
这样转基因过程后的结果就是：
水稻单株产量提高到原来的三倍 ， 大田种植转基因水稻获得1.5倍产量 。
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△Nipp-未改造株系；FTOmut-导入外源FTO基因但抑制其表达株系；FTO-过表达FTO基因株系
结果可不可靠 ， 又是另一个值得讨论的问题 。
单子叶作物水稻 ， 转基因可获得高产效果 。 双子叶作物马铃薯 ， 做同样的转基因处理 ， 也得到了增产50%的成果 。
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△EM3-未改造株系；FTO-过表达FTO基因株系
除了增产 ， 转基因对水稻其他性状也产生了影响 。
转入的基因促进根系顶端分生组织细胞增殖 ， 提高了根系数目和根长数据 。
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转基因水稻分蘖数增加 ， 提高了光合作用效率 ， 获得了更多生物量积累 。
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FTO如何发挥作用
动物肥胖基因FTO在水稻细胞中 ， 如何发挥控制水稻基因表达的作用？
要探究这个过程 ， 就需要了解FTO蛋白的工作原理 ， 以及相关的生理过程 。
首先了解FTO蛋白的作用对象m6A 。
m6A——RNA链上腺嘌呤第6位氮原子的甲基化修饰 ， 是存在最多的mRNA修饰方式 ， 在RNA翻译蛋白质过程调控基因表达 。
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m6A主要存在于mRNA非翻译区 ， 参与mRNA加工过程 ， 并起到翻译起始、维持稳定性等作用 。 由甲基化转移酶（Writers）、去甲基化酶（Erasers）和甲基化阅读蛋白（Readers）共同调控 。 所有与RNA相关的功能均受m6A影响 。
其次了解FTO在细胞中的作用 。
FTO是第一个被发现的m6A脱甲基酶（Erasers） ， FTO蛋白擦除RNA链上m6A ， 可以促进染色质开放 ， 激活转录 。 改变相关基因表达进程 。
FTO介导的去甲基影响细胞生长和繁殖 ， 在哺乳动物中与脂肪发育密切相关 。 在植物中 ， 引入m6A脱甲基酶调节m6A水平 ， 同样可以起到改变植物生长的作用 。
转入并成功表达的FTO分别使水稻叶片和根系中约11000、7000个基因表达量增加 ， 激活多个生理通路 。
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△展示多个与FTO蛋白相关生理过程中基因的表达量变化
这项技术的应用前景
以上研究内容表明 ， 转入FTO蛋白基因对水稻产量的提升取得了突破 ， 该技术在农作物增产方面具有应用价值 。
FTO基因经验证可以使不同作物均有效提高产量 ， 证明这个方法具有普遍适用价值 。 对大多数植物只需要打开“FTO”开关 ， 即可实现产量的大幅度提升 。
FTO对功能基因表达的调控 ， 不仅增加了产量 ， 也改变了作物根系等农艺性状 ， 提高了耐干旱能力 ， 对特用作物的品种改良提供新思路 。
例如 ， 植物改造过后的发达根系应用在防风固沙方面；贫瘠环境下牧草青饲料等提高生物总量；用于改善土质修复土壤的特用作物 ， 适应更恶劣环境等 。
转基因安全性的思考
既然这项技术应用前景广阔 ， 那么未来发展方向就是被迅速推广 ， 但是它作为转基因技术 ， 安全性是广泛应用的重要前提 。
研究单位何川课题组对此回应：“转入基因是人类体内常见的FTO蛋白基因 ， 通过对植物RNA表观修饰进行编辑 ， 开启了植物高产、高生物量的通路 。 ”
一方面被转入的外源基因是人体内原有的基因 ， 另一方面基因起作用在RNA翻译蛋白质过程 ， 理论上没有直接参与生物质的合成 。
同时何川教授也强调 ， 期待国家出台针对性审批标准 ， 以推动这项技术在安全规范的前提下推广落地 。
研究团队
该研究主要由北京大学贾桂芳课题组、美国芝加哥大学何川课题组、贵州大学宋宝安课题组开展进行 。
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2010年 ， 何川首次提出“RNA表观遗传学” ， 预测了RNA上可能存在可逆化学修饰 。
2011年 ， 贾桂芳与何川课题组其它成员一起发现了第一个m6A去修饰酶FTO ， 首次揭示了RNA甲基化修饰的动态可逆 ， 开启了“RNA表观遗传学”新方向 。
参考论文:
https://www.nature.com/articles/s41587-021-00982-9
参考链接:
https://phys.org/news/2021-07-rna-breakthrough-crops-potatoes-rice.html
— 完 —
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_原题《转入肥胖基因改造RNA ， 作物增产50%》
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