馬鈴薯、羅非魚(yú)育種周期“年轉(zhuǎn)月” 基因技術(shù)破解農(nóng)業(yè)育種難題

顯微鏡下，科研人員正精準(zhǔn)地操作著基因“剪刀”；另一邊，計(jì)算機(jī)屏幕上，細(xì)胞如何應(yīng)對(duì)高溫的精細(xì)“作戰(zhàn)圖”盡收眼底。

近日，西部（重慶）科學(xué)城種質(zhì)創(chuàng)制大科學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)種創(chuàng)中心）捷報(bào)頻傳。一方面，科研團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了馬鈴薯細(xì)胞應(yīng)對(duì)高溫的“內(nèi)部通訊圖”，為培育更耐熱品種提供了精確導(dǎo)航。另一方面，科研人員發(fā)現(xiàn)了基因編輯的“新靶點(diǎn)”，讓魚(yú)類(lèi)育種效率倍增。

▲西部（重慶）科學(xué)城種質(zhì)創(chuàng)制大科學(xué)中心。曾誠(chéng) 攝

這一植一漁的新突破，展現(xiàn)了種創(chuàng)中心在解決農(nóng)業(yè)“卡脖子”問(wèn)題上的創(chuàng)新實(shí)力，為保障糧食安全和推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了新的理論和技術(shù)。

PART 01

首次看清植物細(xì)胞如何“戰(zhàn)高溫”

馬鈴薯是全球重要的糧食作物，但有個(gè)“怕熱”的毛病，現(xiàn)在高溫已成為制約其產(chǎn)量和品質(zhì)的主要因素。

以往，科學(xué)家研究植物耐熱性，通常是將整個(gè)組織或器官作為研究對(duì)象。這就像是通過(guò)觀察整個(gè)城市的用電量來(lái)推測(cè)每家每戶的用電習(xí)慣，難以區(qū)分不同類(lèi)型細(xì)胞在應(yīng)對(duì)高溫時(shí)的具體分工與協(xié)作機(jī)制。

▲各類(lèi)細(xì)胞群與細(xì)胞分化過(guò)程中的差異表達(dá)模式。受訪單位 供圖

種創(chuàng)中心馬鈴薯團(tuán)隊(duì)的呂典秋教授帶隊(duì)選擇了另一個(gè)研究方向。他們利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)，對(duì)超過(guò)77,000個(gè)馬鈴薯葉片細(xì)胞進(jìn)行個(gè)體體檢，精確識(shí)別出了21個(gè)細(xì)胞簇，歸屬為6種主要細(xì)胞類(lèi)型。

研究最關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是明確了表皮細(xì)胞是應(yīng)對(duì)熱脅迫的關(guān)鍵“前線部隊(duì)”。這些位于葉片表面的細(xì)胞在高溫下表現(xiàn)出最活躍的基因表達(dá)變化，調(diào)動(dòng)了大量防御機(jī)制。這種單細(xì)胞層面的研究，意味著科學(xué)家現(xiàn)在可以像查看高清衛(wèi)星地圖一樣，觀察植物在逆境中每個(gè)“社區(qū)”（細(xì)胞類(lèi)型）的實(shí)時(shí)反應(yīng)，而不再是模糊的“城市全景”。

通過(guò)構(gòu)建熱應(yīng)激響應(yīng)共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，研究團(tuán)隊(duì)鑒定出12個(gè)核心調(diào)控因子，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了轉(zhuǎn)錄因子StPIF4的重要作用——它通過(guò)增強(qiáng)活性氧清除能力，顯著提高了馬鈴薯的耐熱性。

▲StPIF4增強(qiáng)馬鈴薯在熱脅迫下的耐熱性。受訪單位 供圖

這項(xiàng)研究成果已于近期發(fā)表在《Plant Biotechnology Journal》上，為培育耐高溫馬鈴薯新品種提供了精確的分子靶點(diǎn)和全新策略。

過(guò)去育種家需要經(jīng)過(guò)多年田間試驗(yàn)篩選耐熱材料，而現(xiàn)在可以通過(guò)檢測(cè)這些關(guān)鍵基因的表達(dá)情況，在實(shí)驗(yàn)室早期階段就預(yù)測(cè)材料的耐熱性能，大幅縮短了育種周期。

PART 02

基因編輯新思路讓魚(yú)類(lèi)育種提速增效

在種創(chuàng)中心的另一實(shí)驗(yàn)室，王德壽教授團(tuán)隊(duì)則在基因編輯技術(shù)上玩出了“新花樣”，瞄準(zhǔn)的是如何提升魚(yú)類(lèi)育種效率的難題。

傳統(tǒng)的基因編輯技術(shù)（CRISPR/Cas9）常被比喻為“基因剪刀”，就是通過(guò)剪切基因的編碼區(qū)，從而達(dá)到“敲除”某個(gè)特定基因、研究其功能或創(chuàng)制新種質(zhì)的目的。但這種方法有時(shí)會(huì)“剪是剪了”卻沒(méi)有達(dá)到效果，好比想剪斷一根繩子卻只剪開(kāi)了一點(diǎn)毛邊，繩子還能用。

▲王德壽教授團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，巧妙地將“剪刀”瞄準(zhǔn)了基因進(jìn)行剪接、加工的關(guān)鍵連接點(diǎn)——剪接位點(diǎn)。受訪單位 供圖

王德壽教授團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，不再只盯著基因的主體內(nèi)容（編碼區(qū)），而是巧妙地將“剪刀”瞄準(zhǔn)了基因進(jìn)行剪接、加工的關(guān)鍵連接點(diǎn)——剪接位點(diǎn)。這個(gè)位點(diǎn)就像文章段落間的銜接指令，一旦被破壞，整個(gè)基因的“閱讀”就會(huì)出錯(cuò)，導(dǎo)致其功能幾乎百分之百喪失。

不同以往，科學(xué)家們現(xiàn)在有可能在短短一代時(shí)間內(nèi)就獲得性狀明顯的突變體，無(wú)需再等待多代選育，將育種周期從“年”為單位縮短到“月”為單位，極大地加速了良種選育和基因功能研究的進(jìn)程。在羅非魚(yú)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，這種新策略使有效突變率和表型率在子一代時(shí)就大幅度提高，30%的個(gè)體獲得了接近純合突變的表型。

▲王德壽教授團(tuán)隊(duì)。受訪單位 供圖

這兩項(xiàng)研究雖然對(duì)象不同，一是植物，一是魚(yú)類(lèi)；一重解析，一重創(chuàng)制，但都體現(xiàn)了現(xiàn)代種質(zhì)創(chuàng)制的核心方向：精準(zhǔn)、高效和可預(yù)測(cè)性。記者了解到，以上兩項(xiàng)科研成果均得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目支持，是西部（重慶）科學(xué)城“立足產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)、攻堅(jiān)核心技術(shù)”的生動(dòng)實(shí)踐。

種創(chuàng)中心作為這些研究的承載平臺(tái)，始終聚焦種質(zhì)創(chuàng)制關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，搭建起從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的完整平臺(tái)，正展現(xiàn)出種業(yè)芯片的創(chuàng)新活力。該種創(chuàng)中心相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，未來(lái)將持續(xù)推動(dòng)科研成果轉(zhuǎn)化，為種植戶和養(yǎng)殖戶帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的效益，為我國(guó)農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。