利用基因組編輯技術(shù)可以對目標(biāo)基因進(jìn)行“修改”,從而實現(xiàn)精確育種
想吃啥樣的西紅柿?“編輯”吧!
番茄等蔬菜瓜果為何味道變差了?中國農(nóng)科院研究人員又是通過什么神奇的方法培育出了好吃的番茄品種?
西紅柿味道不如以前,是因為育種過程中丟失了控制風(fēng)味品質(zhì)的部分基因
番茄,又稱西紅柿,原產(chǎn)于南美洲,大約明朝傳入我國。它適應(yīng)性廣、產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富、風(fēng)味獨特,是世界范圍內(nèi)廣泛種植的第一大蔬菜作物。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計,2014年全球番茄產(chǎn)值達(dá)962.8億美元。我國以鮮食番茄為主,更加注重風(fēng)味品質(zhì)。
據(jù)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所副所長黃三文介紹,我們現(xiàn)在吃到的番茄都是由野生醋栗番茄馴化后的品種,野生番茄果實非常小,只有1—2克重,經(jīng)過人工的長期馴化,現(xiàn)代栽培番茄的果重是其祖先的100多倍。
黃三文說,番茄味道不如以前,是由于在現(xiàn)代育種過程中過于注重產(chǎn)量、外觀等指標(biāo),雖然產(chǎn)量大了、長得好看了,卻使控制風(fēng)味品質(zhì)的部分基因位點丟失。研究結(jié)果表明,番茄中的13種風(fēng)味物質(zhì)含量在現(xiàn)代番茄品種中顯著降低,從而改變了番茄口感。
能不能利用現(xiàn)代技術(shù)手段,培育出好看又好吃的西紅柿?黃三文想到了基因組編輯技術(shù)。從源頭做起,先找出影響番茄口味的“基因密碼”。“我們的味蕾一直想找回的老口味兒就躲藏在‘基因密碼’里,一旦找到?jīng)Q定番茄風(fēng)味的相關(guān)基因,問題就會迎刃而解。”黃三文說。
2012年,黃三文帶領(lǐng)團(tuán)隊參與了番茄基因組測序項目,破解了擁有9億個堿基對的番茄全基因組圖譜,其相關(guān)研究成果發(fā)表在權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。2014年,黃三文帶領(lǐng)的團(tuán)隊與國內(nèi)多個從事番茄研究的團(tuán)隊一起揭開了番茄果實由小到大的人工馴化過程,即:野生醋栗番茄產(chǎn)生櫻桃番茄,最終形成大果栽培番茄。同時,他們構(gòu)建了番茄基因組變異圖譜,發(fā)現(xiàn)了1200萬個基因組變異的數(shù)據(jù)。2017年1月,黃三文團(tuán)隊終于破解了番茄風(fēng)味基因密碼,國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》以封面文章的形式報道了這一科研成果。
“為了鑒定番茄種質(zhì)中的優(yōu)良基因,我們對世界范圍內(nèi)400份代表性的番茄種質(zhì)進(jìn)行了全基因組測序和多點多次的表型鑒定。利用全基因組關(guān)聯(lián)分析和連鎖分析,最終鑒定了影響33種風(fēng)味物質(zhì)的200多個主效的遺傳位點。”該論文并列第一作者、中國農(nóng)科院基因組研究所祝光濤博士說,研究發(fā)現(xiàn),其中有2個基因控制了番茄的含糖量,5個控制了酸含量。
研究還發(fā)現(xiàn),檸檬酸和蘋果酸是番茄中的主要酸類物質(zhì),檸檬酸能提高西紅柿風(fēng)味,但蘋果酸降低風(fēng)味,研究人員由此找到了降低蘋果酸、提高檸檬酸含量的技術(shù)路線。
從理論上說,任何風(fēng)味的番茄都可以通過基因組編輯技術(shù)實現(xiàn)
基因組編輯技術(shù)為何如此神奇?
黃三文說,基因組是一個物種所有遺傳信息的總和,新一代基因組技術(shù)被認(rèn)為是驅(qū)動未來經(jīng)濟(jì)的顛覆性創(chuàng)新技術(shù)。2002年中國科學(xué)家發(fā)表的水稻基因組,推動了基因組學(xué)在農(nóng)業(yè)育種上的應(yīng)用?;蚪M編輯技術(shù)則是基因組學(xué)快速發(fā)展的直接產(chǎn)物。如同要編出暢銷書或好新聞首先要仔細(xì)閱讀原稿一樣,要想更好地應(yīng)用基因組編輯技術(shù),首先要閱讀基因組、讀懂基因組。
黃三文介紹,基因組編輯技術(shù)是當(dāng)前生命科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域,利用該技術(shù),科學(xué)家能夠?qū)δ繕?biāo)基因進(jìn)行定點敲除或插入,從而獲得對人類有益的性狀。其中,CRISPR/Cas9技術(shù)因其編輯效率高、操作簡易等特點,成為當(dāng)前生物研究炙手可熱的研究工具——他們發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)西紅柿口味就是用的這種技術(shù)。
他舉例說,日常食用的番茄有紅果和粉果兩種,紅果番茄硬度大耐儲運(yùn),但口味較差;粉果番茄顏值高、風(fēng)味佳,但卻有不易儲存的缺點。因此,傳統(tǒng)的育種主要集中在紅果番茄上,優(yōu)質(zhì)粉果番茄品種較少。黃三文團(tuán)隊利用基因組編輯技術(shù),將控制番茄果實顏色、口味等的基因進(jìn)行了編輯,僅用了10個月的時間就獲得了耐儲運(yùn)、風(fēng)味佳的粉果番茄。
“從理論上來說,未來人們想吃什么風(fēng)味的番茄,都可以通過基因組編輯技術(shù)來實現(xiàn)。”
黃三文介紹說,他們團(tuán)隊與合作者已經(jīng)培育出含糖量提高的西紅柿新品種。下一步,將進(jìn)一步提高有益揮發(fā)性物質(zhì)的含量,培育出更美味的西紅柿品種,力爭恢復(fù)西紅柿原有的風(fēng)味。
通過基因組編輯技術(shù),可以大大提高饅頭或米飯中直鏈淀粉的比例,從而造福糖尿病人
在農(nóng)作物育種領(lǐng)域,基因組編輯技術(shù)的作用不只是用在西紅柿上。黃三文說,基因組編輯技術(shù)大大提高了作物的育種進(jìn)度,通過“編輯”基因,一些小麥、水稻、玉米、馬鈴薯等作物新品系也相繼問世。
國家“十三五”七大作物育種專項首席科學(xué)家、農(nóng)業(yè)部作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室主任張學(xué)勇研究員說,基因組編輯技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域前景廣闊。“與物理或化學(xué)誘變育種相比,基因組編輯技術(shù)可以更準(zhǔn)確、更精細(xì)地改變生物體內(nèi)有機(jī)大分子的合成速度和方向,是一種精準(zhǔn)育種技術(shù)。”
張學(xué)勇說,饅頭或者米飯中存在兩種淀粉,即直鏈淀粉和支鏈淀粉。其中支鏈淀粉很容易水解為葡萄糖,而直鏈淀粉降解成為葡萄糖的速度則緩慢許多。通過基因編輯技術(shù),可以敲除或減弱支鏈淀粉合成的基因的活性,增加直鏈淀粉的比例,使直鏈淀粉的比例從百分之十幾提高到60%—70%,這樣就能有效控制糖尿病人飯后血糖迅速上升的情況,造福糖尿病人。
張學(xué)勇介紹,通過基因組編輯技術(shù),還可以改變大豆、油菜等作物籽粒中油的成分比例,增加亞麻酸、亞油酸等優(yōu)良成分的比重,利于健康和長壽。該技術(shù)還能讓棉花纖維更細(xì)更長,增加優(yōu)質(zhì)棉比例,增加棉農(nóng)收入。此外,它還能改變玉米、水稻等作物的葉片夾角,更有利于密植以達(dá)到高產(chǎn)的目的。“基因組編輯技術(shù)還能控制花卉的顏色,創(chuàng)造出一些自然界還沒有的蘭花、牡丹花的顏色,提高花卉品質(zhì),滿足不同人群需要。”
張學(xué)勇認(rèn)為,未來利用基因組編輯技術(shù)還可以根據(jù)人們的需要,改變許多農(nóng)產(chǎn)品的風(fēng)味、顏色,延長農(nóng)產(chǎn)品的貨架期,為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展注入強(qiáng)大的科技動力,更好地造福人類。