撰文 | 小丑鱼

“深耕基础研究，妙用基因编辑，研究者为‘孤儿作物’带来新生”

 

01 基因编辑，照亮未来育种之路

 

基因编辑技术（被誉为“基因魔剪”）自问世以来，人类一直对它满怀期待。对于作物，人们很清楚，这一技术必然会引起新一轮的“绿色革命”，带来一拨又一拨作物的改良。但具体如何实现，这是科学家们目前最为犯难的问题。这种感觉就好像一条大鱼已经被送进了厨房，但如何最终能吃到嘴里？各路"大厨”们开始纷纷献艺。近期，Zachary Lippman实验室在《自然·植物》杂志上发文，再次为我们带来了“一顿大餐”。值得注意的是，2017年，Lippman实验室连续在《细胞》杂志发文，分别提供了两条巧妙的思路，为番茄，以及其他模式作物，照亮了未来的育种之路。相对于那些为公众所熟知“宠儿作物”，近期的这篇研究论文则为“孤儿作物”的育种量身打造。

 

02 “孤儿作物”，不被疼爱的孩子

 

“孤儿作物”，是指那些被人类忽视、尚未被充分利用的作物，例如这篇论文的主角，灯笼果（Physalis pruinosa）。相较于“宠儿作物”，如水稻、玉米、大豆、番茄等，这些“孤儿作物”在人类的饮食结构中，占比很低。它们也没有受到人们的充分关注，因此，它们也没有被人们充分地驯化和遗传改良。

 

03 “孤儿”家族中的“宠儿” 

 

在人类眼里，灯笼果虽然是孤儿，但是它们本身却是茄科，一个庞大植物家族的成员。这个家族中也有着人类的“宠儿”，例如番茄。由于“受宠”，番茄被全世界广泛种植，同时，在种植过程中，也不断被人类改良。如今，这种作物，已经被人类优化到了极致的地步：果实的大小被大幅提高，花序的结构也被充分优化…… 更为重要的是，科学家们也钟爱番茄。通过全世界科学家的共同努力，人们已经搞清楚，导致栽培番茄果实变大、植株结实变多的主要基因。

 

 

04 借势“宠儿”研究，“孤儿”迎来春天

 

值得庆幸的是，由于灯笼果和番茄是同一个植物家族的成员，它们在分子层面，相对而言，是近期同源，有很多相似之处。于是，研究者们推想，既然A基因在番茄中影响果实大小，那么，在灯笼果中，A基因是不是很有可能也影响果实大小？那样，在灯笼果中，能不能人为改造A基因，从而使得灯笼果的果实变大？科学家们都是行动派，他们循着这条思路一一走下去。通过对控制果实大小基因的基因编辑，产生大量的变异，而研究者从中选择到了更加高产的等位变异。这一等位变异的整合，使得单颗果实的重量跃升24%，而这只是对一个基因进行编辑改造的成果。对另外一个花序结构相关基因的改造，则使得单个灯笼果植株上面能够长出更多的果实。

 

 

►基因编辑花序结构相关基因，使得灯笼果挂果数量提升，右图为基因编辑之后的植株。图片来源：Lemmon, Z. H. et al.

 

这些结果给人巨大的振奋，更是带来无穷的想象空间：我们是否可以定向编辑灯笼果中更多的产量基因？解决产量问题之后，是否可以编辑口味相关的基因，生产更美味的灯笼果？而灯笼果中建立起来的这一技术路线，是不是可以推而广之，去造福其他的“孤儿作物”？而这一研究的助推，会不会从万千个“孤儿作物”中，再造一个“宠儿作物”，最终改变全球粮食结构的格局？研究者也评论道，这份研究本身只是一个开始……

 

05 “无用”基础研究，催生改良思路

 

面对厨房里“基因编辑”这条大鱼，厨师们一直苦于没有好的菜谱，而Lippman组能够率先破局，为人们提供了“一顿美味的大餐”。看似简单的逻辑背后，却包含着对进化生物学以及作物驯化知识极为深刻的冷思考。进化生物学一直被视为较为“无用”的基础研究，甚至在我国的学科建设中，都相对缺乏。在这份改良思路中，进化生物学知识却贡献了关键的一环。

 

为何选择“孤儿作物”？因为这些作物，相对来说，是驯化的“半成品”。而“宠儿”作物，每一个控制重要性状的基因位点，已经被农民或者育种家们，进行了长达几千年的挑选和优化，有意或者无意。因此，要想在这基础之上再去提升，难度非凡。而对于“半成品”的“孤儿作物”，则相对容易。加上科学家们对“宠儿作物”的不断研究，学习和理解了驯化的逻辑，学习“宠儿作物”的每一次变化的遗传基础，而这些变化可能在“孤儿作物”中仍没有发生，因此可以“嫁接”过来。为何选择灯笼果入手？因为系谱关系上，它和番茄很近，这意味着很多性状的分子基础，同源相似。多年来，对于番茄的分子生物学研究，已然积累了大量的知识，可供灯笼果借鉴。Lippman的这一研究对“孤儿作物”灯笼果的改良，也充分体现了研究者对进化生物学的深入思考，对自然规律的的巧妙利用。 

 

参考文献：

1. Lemmon, Z. H. et al. Rapid improvement of domestication traits in an orphan crop by genome editing. Nat Plants 4, 766-770, doi:10.1038/s41477-018-0259-x (2018).

2. Rodriguez-Leal, D., Lemmon, Z. H., Man, J., Bartlett, M. E. & Lippman, Z. B. Engineering Quantitative Trait Variation for Crop Improvement by Genome Editing. Cell 171, 470-480 e478, doi:10.1016/j.cell.2017.08.030 (2017).

3. Soyk, S. et al. Bypassing Negative Epistasis on Yield in Tomato Imposed by a Domestication Gene. Cell 169, 1142-1155 e1112, doi:10.1016/j.cell.2017.04.032 (2017).

4. Doebley, J. F., Gaut, B. S. & Smith, B. D. The molecular genetics of crop domestication. Cell 127, 1309-1321 (2006).

 

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