動物肥胖基因也能讓植物“變胖”？中美科學(xué)家成功使水稻、馬鈴薯增產(chǎn)3倍
食物是人類生存的基礎(chǔ)，長期以來，人類生活最重要的工作就是獲取食物。今天，生活富足的我們可能很難想象很多人基本的食物需求都無法被滿足，吃不飽穿不暖的場景。而隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，中國早已不是以前那個(gè)貧弱的國家。如今，中國人均糧食的占有量在 474 公斤，遠(yuǎn)超國際標(biāo)準(zhǔn) 400 公斤的糧食標(biāo)準(zhǔn)的安全線，位居世界前列。同時(shí)，現(xiàn)如今的中國不僅解決了人們溫飽問題，經(jīng)過 8 年的奮斗，中國還實(shí)現(xiàn)了全面脫貧的目標(biāo)。當(dāng)然，中國人民溫飽問題的解決離不開一代又一代科學(xué)工作者的付出。近日，北京大學(xué)賈桂芳教授與美國芝加哥大學(xué)何川教授、貴州大學(xué)宋寶安教授合作，首次開發(fā)了利用 RNA 表觀遺傳修飾 N6 - 甲基腺嘌呤（m6A）直接提高植物生物量、產(chǎn)量和抗逆的新技術(shù)。實(shí)驗(yàn)中研究人員發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過 RNA 遺傳修飾的水稻單株明顯長得更大，根系更長，能更好地耐旱，光合作用效率也有所提高。同時(shí)，其產(chǎn)量在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)增加了 3 倍，在試驗(yàn)田內(nèi)增加了 50%。該研究以 “RNA demethylation increases the yield and biomass of rice and potato plants in field trials” 為題發(fā)表在最新一期的 Nature Biotechnology 雜志上。對此，何川教授表示，“這一技術(shù)顯著提升了農(nóng)作物產(chǎn)量，更重要的是，到目前為止它幾乎適用于我們嘗試過的所有類型的植物。而這僅僅是一個(gè)非常簡單的修改。”神奇的肥胖基因 ——FTO
肥胖相關(guān)基因（FTO）是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)在肥胖中發(fā)揮重要作用的基因，在調(diào)節(jié)體重和脂肪含量方面具有重要作用。據(jù)說 FTO 基因的名稱源于 “大塊頭肥仔”（fatso）一詞的縮寫，該基因是 1999 年發(fā)現(xiàn)的一個(gè)長達(dá)數(shù)十萬個(gè)堿基對的區(qū)段。FTO 基因是目前機(jī)理最復(fù)雜、不斷有新發(fā)現(xiàn)的肥胖基因。2007 年，F(xiàn)TO 基因首次在歐洲人群中被鑒定為肥胖風(fēng)險(xiǎn)基因。攜帶一個(gè) FTO 基因的人平均增重 1.2 公斤，攜帶兩個(gè) FTO 基因的人平均增重 3 公斤，而且肥胖風(fēng)險(xiǎn)提高 1.67 倍。2014 年《自然》雜志報(bào)道，F(xiàn)TO 基因的一段序列可以與控制脂肪組織發(fā)育的基因相結(jié)合，像發(fā)動機(jī)一樣促進(jìn)后者在大腦中的表達(dá)，使褐色脂肪（能 “燃燒” 的脂肪）變成白色脂肪（難以 “燃燒” 的脂肪）。如果缺失 FTO 基因，那么小鼠的白色脂肪又可重新變成褐色脂肪，體重降低 25%~30%。前不久，《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》又發(fā)表一篇論文指出，F(xiàn)TO 基因中一個(gè)堿基的不同，就能決定小鼠是胖還是瘦。具體來說，若 FTO 基因某個(gè)位置的堿基是 C 時(shí)，則會讓脂肪組織發(fā)育基因起作用，F(xiàn)TO 就是 “胖” 基因，產(chǎn)熱降低。相反，當(dāng)堿基為 T 時(shí)，則會讓脂肪組織發(fā)育基因不起作用，F(xiàn)TO 變成 “瘦” 基因，產(chǎn)熱效應(yīng)升高。假如將來能找到脂肪組織發(fā)育的抑制劑，那么人們既不需要增加運(yùn)動量也不用改變食欲就能輕松減肥。動物肥胖基因如何使植物增產(chǎn)？
幾十年來，面對日益不穩(wěn)定的氣候和不斷增長的全球人口，科學(xué)家們一直致力于提高作物產(chǎn)量。2010 年何川教授首次提出 “RNA 表觀遺傳學(xué)” 概念，大膽預(yù)測在 RNA 上可能存在可逆的化學(xué)修飾，如同 DNA 和組蛋白可逆化學(xué)修飾調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄一樣，對基因表達(dá)具有重要的調(diào)控功能。2011 年，賈桂芳教授和何川教授美國芝加哥大學(xué)實(shí)驗(yàn)室其他成員一起發(fā)現(xiàn)了第一個(gè) RNA 化學(xué)修飾 m6A 的去修飾酶，首次揭示了 RNA 上的甲基化修飾動態(tài)可逆，對基因表達(dá)具有重要的調(diào)控功能。RNA 表觀遺傳修飾 m6A 動態(tài)可逆，可以被甲基轉(zhuǎn)移酶加上、去甲基酶去除，其依賴 m6A 結(jié)合蛋白識別，調(diào)控基因表達(dá)，包括選擇性剪接、mRNA 出核、mRNA 穩(wěn)定性和翻譯，同時(shí)還可以調(diào)控轉(zhuǎn)錄。m6A 不僅在動物干細(xì)胞分化、組織發(fā)育，腦記憶、免疫，疾病等具有重要調(diào)控功能。在植物體內(nèi)，m6A 也是植物正常發(fā)育所必需的，在調(diào)控植物生長發(fā)育中起到重要作用。于是，何川教授與賈桂芳教授便將目光放到了 FTO 上。因?yàn)槎ΧΥ竺姆逝只?FTO，不僅僅是一種肥胖調(diào)節(jié)基因，它還編碼了動物 RNA 去甲基酶，可以擦去動物 RNA 上的表觀遺傳印記。由于植物中沒有 FTO 同源蛋白，因此研究人員想嘗試將 FTO 插入到植物中，看看是否能影響植物細(xì)胞的生長。隨后，研究人員將 FTO 引入糧食作物水稻和經(jīng)濟(jì)作物馬鈴薯中，實(shí)現(xiàn)針對 RNA 修飾 m6A 去甲基。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，過表達(dá) FTO 轉(zhuǎn)基因水稻和馬鈴薯的產(chǎn)量和生物量都顯著增加了約 50%。圖 | 上圖是未改良馬鈴薯的產(chǎn)量；下圖是帶有 RNA 修飾的馬鈴薯產(chǎn)量（來源：uchicago.edu）圖 | 左側(cè)是沒有經(jīng)過 RNA 修飾的水稻植株；右側(cè)是一株經(jīng)過 RNA 修飾，產(chǎn)量得到大幅提升的水稻植株（來源：uchicago.edu）進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，過表達(dá) FTO 可顯著促進(jìn)水稻分蘗形成和根系生長，增強(qiáng)光合作用，并具有抗旱能力。過表達(dá) FTO 可促進(jìn)根頂端分生組織細(xì)胞的增殖，增加根長和根的數(shù)目，從而促進(jìn)根系生長。而以上表型均與 FTO 去甲基能力直接相關(guān)。深入研究其分子機(jī)理，研究人員發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TO 介導(dǎo)的 m6A 去甲基化可以促進(jìn)染色質(zhì)開放，激活轉(zhuǎn)錄，分別使葉片中約 11000 個(gè)基因和根里面約 7000 個(gè)基因表達(dá)上調(diào)，激活多個(gè)通路。這一結(jié)果也揭示染色質(zhì)上 RNA m6A 甲基化對植物染色質(zhì)狀態(tài)和基因表達(dá)的重要作用。總體而言，本項(xiàng)研究開辟了全新的植物育種方向，是該領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，對未來應(yīng)對糧食危機(jī)，維護(hù)和改善生態(tài)體系和提供充足植物原材料提出了一種全新的技術(shù)。同時(shí)，本項(xiàng)技術(shù)在單子葉植物水稻和雙子葉植物土豆中的成功應(yīng)用，預(yù)示該技術(shù)具有一定的植物普適性。未來 RNA 表觀遺傳學(xué)改良育種新方向?qū)⒂型麑κ澜缂Z食作物和經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)帶來新的革命。https://www.nature.com/articles/s41587-021-00982-9https://news.uchicago.edu/story/rna-breakthrough-crops-grow-50-percent-more-potatoes-rice-climate-change
本站僅提供存儲服務(wù)，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請
點(diǎn)擊舉報(bào)。
