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《Nature Plants》首次為植物合成基因驅動(dòng)可以幫助根除雜草
【字體: 大 中 小 】 時(shí)間:2024年06月28日 來(lái)源:Nature Plants
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在上周發(fā)表在《Nature Plants》雜志上的兩篇論文中,研究小組描述了一種涉及“自私”基因序列的自然基因驅動(dòng),這種基因序列被稱(chēng)為毒素解毒劑元素。他們的成功開(kāi)啟了消滅雜草的可能性,這些雜草已經(jīng)進(jìn)化到可以抵抗許多除草劑。
十多年前,一個(gè)研究小組利用基因組編輯器CRISPR加速了進(jìn)化,促使一種基因在實(shí)驗室飼養的果蠅種群中傳播的速度比自然環(huán)境中的正常速度快很多倍。不久之后,基于CRISPR的“基因驅動(dòng)”蚊子出現了,幾年后,老鼠也出現了——這些進(jìn)步帶來(lái)了令人擔憂(yōu)的技術(shù)前景和倫理復雜性。支持者鼓吹基因驅動(dòng)可以預防蟲(chóng)媒疾病,消滅老鼠和其他入侵生物,甚至有助于防止瀕危物種的滅絕。
但有一種生物卻與這種興奮格格不入:植物。
現在,遺傳學(xué)家報告說(shuō),合成基因驅動(dòng)也可以在植物群中起作用。兩個(gè)團隊繞過(guò)了一個(gè)長(cháng)期存在的障礙,獨立地設計了擬南芥(Arabidopsis thaliana),一種實(shí)驗室常用的小型芥菜,它攜帶的基因有效載荷可被高達99%的后代遺傳。模型表明,類(lèi)似的基因可以在10到30代內滲透到自然植物種群中!八麄內〉玫某删拖喈旙@人,”哥本哈根大學(xué)的雜草科學(xué)家Paul Neve說(shuō)!八嚷斆饔謩(chuàng )新!
在上周發(fā)表在《Nature Plants》雜志上的兩篇論文中,研究小組描述了一種涉及“自私”基因序列的自然基因驅動(dòng),這種基因序列被稱(chēng)為毒素解毒劑元素。他們的成功開(kāi)啟了消滅雜草的可能性,這些雜草已經(jīng)進(jìn)化到可以抵抗許多除草劑;蛘呋蝌寗(dòng)可以使物種變得不那么麻煩,這樣它們就可以繼續為傳粉昆蟲(chóng)和其他野生動(dòng)物提供食物和棲息地。
堪薩斯州立大學(xué)的雜草生理學(xué)家和分子生物學(xué)家Mithila Jugulam說(shuō),植物基因驅動(dòng)系統可能“對可持續的雜草管理非常有價(jià)值”。但科羅拉多州立大學(xué)(Colorado State University)的雜草生物學(xué)家Todd Gaines警告說(shuō),“我可以看到很多不利因素”,包括向農民推銷(xiāo)這項技術(shù),并獲得監管部門(mén)的批準。
要讓轉基因作物通過(guò)包括農業(yè)部在內的美國機構的審批,仍然是一個(gè)漫長(cháng)而昂貴的過(guò)程,農業(yè)部的任務(wù)是盡量減少新雜草和害蟲(chóng)的風(fēng)險。那么,獲得批準釋放轉基因雜草?
打破遺傳規則的自然基因驅動(dòng)是罕見(jiàn)的。正常情況下,被稱(chēng)為等位基因的每個(gè)基因拷貝都有被遺傳的幾率。然而,一些所謂的自私的DNA片段已經(jīng)進(jìn)化出了欺騙其他等位基因的方法,即使它們不能提高生物體的成功率,它們在人群中也變得越來(lái)越普遍。
許多最新的人工基因驅動(dòng)技術(shù)都依賴(lài)于CRISPR技術(shù),這種技術(shù)可以顯著(zhù)提高DNA序列被遺傳的幾率。它們由基因組編輯器的DNA和任何附加基因組成,這些基因被改造成動(dòng)物從父母那里繼承的兩條染色體中的一條。在繁殖過(guò)程中,該序列與染色體的其余部分復制,就像任何自然基因一樣。但是基因組編輯器隨后也將該序列插入到另一條染色體中。它由下一代繼承,不再是拋硬幣,變得幾乎是必然的。
由于植物的一種DNA修復機制,它們可以阻止標準的CRISPR導向的基因接管。但有些植物和動(dòng)物確實(shí)含有解毒成分。這些由兩個(gè)基因配對而成的序列,利用生殖的染色體洗牌,在種群中推進(jìn)自己。在該系統的一種表現形式中,像花粉或精子這樣的配子只遺傳了毒素基因,就注定要失敗,而那些擁有整個(gè)毒素解毒劑DNA的配子則存活下來(lái)。
受毒素解毒劑想法的啟發(fā),加州理工學(xué)院的遺傳學(xué)家Bruce Hay和他的同事們于2019年開(kāi)始為昆蟲(chóng)開(kāi)發(fā)一種基因驅動(dòng),他們稱(chēng)之為“切割和救援系統”。它使用CRISPR的DNA切割酶Cas9切割并使配子中的一個(gè)重要基因失效,導致一些配子死亡。但是那些攜帶基因驅動(dòng)的人存活了下來(lái),因為他們得到了該基因的備份版本,稍微修改以避免分裂,同時(shí)還有第二個(gè)基因被攜帶到幸存的配子中。在這種情況下,CRISPR產(chǎn)生了毒素(已經(jīng)失效的基本基因),而抗CRISPR的拯救副本是讓精子或卵子存活的解毒劑。
研究小組意識到這種方法也適用于植物。在這篇新論文中,研究小組描述了一種系統,該系統可以切割并使靶基因YKT61失效,而YKT61是植物細胞正確處理蛋白質(zhì)和脂質(zhì)所必需的;蝌寗(dòng)還納入了一種拯救基因,這是一種來(lái)自擬南芥近親的YKT61基因,它的差異足以使CRISPR不將其視為目標。通過(guò)將啟動(dòng)子連接到CRISPR基因上,他們設計了能夠在配子中啟動(dòng)該編輯器的植物。
攜帶基因編輯器的花粉和胚珠因為拯救基因而存活。當CRISPR破壞它們的YKT61時(shí),那些沒(méi)有的就會(huì )死亡。為了證明這可以迅速傳播一個(gè)基因,研究小組附加了一個(gè)標記基因,使幸存的種子變成紅色;蝌寗(dòng)是有效的,因為97%到99%的擬南芥產(chǎn)生了紅色種子。它很穩定,持續了五代人。
在中國,另一個(gè)團隊采用了同樣的方法,并取得了類(lèi)似的結果。在中國科學(xué)院和北京大學(xué)遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所的合成生物學(xué)家Wenfeng Qian的帶領(lǐng)下,他們選擇了一種不同的基因進(jìn)行CRISPR切割,這種基因是花粉萌發(fā)所必需的。這個(gè)群體的紅色標記出現在88%到99%的種子中,持續了兩代。Qian回憶說(shuō),實(shí)驗室成員打開(kāi)種子莢的那一刻是“激動(dòng)人心的”。
這些成功為控制已經(jīng)對多種除草劑產(chǎn)生抗性的雜草提供了新的方法。以藜草(Amaranthus palmeri)為例,這種植物可以扼殺大豆等作物,并引起人們過(guò)敏。兩個(gè)研究小組都計算出,在10到30代的時(shí)間里,他們的基因驅動(dòng)可以使任何一個(gè)植物種群充滿(mǎn)導致完全不育的基因;蛘咚梢詡鞑ヒ环N貨物基因,這種基因可以使雜草更加溫和,而不需要消滅它——也許是一種使植物不會(huì )引起過(guò)敏的基因。
Hay說(shuō),可以設計一種旨在根除雜草的基因驅動(dòng),使基因重組——發(fā)生在生殖細胞中的DNA重組——最終分離其遺傳成分并關(guān)閉它,從而降低致命的基因驅動(dòng)傳播到農田以外雜草的風(fēng)險。愛(ài)荷華州立大學(xué)(Iowa State University)的植物遺傳學(xué)家Kan Wang說(shuō):“這項技術(shù)可以有針對性,但不是完全具有破壞性,這一點(diǎn)非常重要。這是我非常欣賞的一部分!
Neve說(shuō),無(wú)論多么安全,合成基因驅動(dòng)對農業(yè)應用的吸引力可能有限。等待十年來(lái)根除雜草對農民來(lái)說(shuō)可能是不可能的。該模型還假設農民將增加10%的攜帶基因驅動(dòng)的雜草,從而增加現有雜草的數量——這需要大量的種植和更多的植物水和養分消耗。Hay認為基因驅動(dòng)是對其他措施的補充,他想象農民每年在他們的田地周?chē)N植一些攜帶基因驅動(dòng)的雜草,一點(diǎn)一點(diǎn)地將雜草的數量減少到零。
還有一個(gè)基本的生物限制;蝌寗(dòng)只對那些通過(guò)授粉傳播的植物起作用,而很多麻煩的雜草都不會(huì )這樣做。光滑的藜草和紅根的藜草是最令人頭疼的,它們都是自己授粉的,所以基因驅動(dòng)會(huì )被困在公園里。植物也可能進(jìn)化出對毒素解毒劑基因驅動(dòng)的抗性,Neve補充說(shuō),就像它們對除草劑一樣。但這不會(huì )是雜草管理的萬(wàn)靈藥。
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