植物遺傳學家開發(fā)了CRISPR的新應用 以打破作物的產量障礙
冷泉港實驗室(CSHL)的科學家們利用了尚未開發(fā)的基因組編輯能力來改善農作物。以番茄為例,他們動員了CRISPR / Cas9技術,以快速生成植物的變體,展示了三個獨立的,農業(yè)上重要的特征的廣泛連續(xù)性:果實大小,分枝結構和整體植物形狀。所有這些都是決定植物產量的主要因素。該方法適用于所有食品,飼料和燃料作物,包括主食大米,玉米,高粱和小麥。
“隨著人口的增長,目前的作物產量增加率不會滿足地球未來的農業(yè)需求,”負責該研究的CSHL教授Zachary Lippman說。“最嚴重的限制之一是大自然沒有為育種者提供足夠的遺傳變異,特別是對于可能涉及數十種基因的主要產量性狀。我們的實驗室現在使用CRISPR技術產生新的遺傳變異,可以加快作物改良,同時使其結果更具可預測性。“
今天發(fā)表在Cell上的研究小組的實驗涉及使用CRISPR“剪刀”在三個番茄基因組序列中進行多次切割,稱為啟動子 - 相關基因附近的DNA區(qū)域有助于調節(jié)這些“產量”的時間,地點和水平“基因在生長過程中是活躍的。通過這種方式,在每個監(jiān)管區(qū)域內產生多組突變,科學家們能夠在三種目標性狀中的每一種中誘導廣泛的變化。
“我們用每種特性證明了這一點,”Lippman解釋說,“是否有能力使用CRISPR產生新的遺傳和性狀變異,育種者可以根據條件調整植物的種類?,F在,每種性狀都可以通過以下方式控制:調光開關控制一個燈泡。“
通過使用CRISPR來突變調控序列 - 相關“產量”基因的啟動子而不是基因本身 - CSHL團隊發(fā)現它們可以對數量性狀產生更微妙的影響。微調基因表達而不是刪除或滅活它們編碼的蛋白質最有可能使商業(yè)化農業(yè)受益,因為這種遺傳變異提供了改善產量性狀的靈活性。
“傳統(tǒng)育種需要花費大量的時間和精力來使相關基因的有益變體適應最佳品種,每年必須不斷改進,”Lippman說。“我們的方法可以通過直接生成和選擇控制基因活動的最理想變體來幫助繞過這種限制,這些變異有利于繁殖。我們現在可以使用原生DNA并增強自然提供的功能,我們相信可以幫助打破收益率障礙。“
每個突變區(qū)域都會產生所謂的數量性狀基因座(QTL)。在任何給定的植物中,QTL在數千年中自然產生,這是自發(fā)突變的結果,其導致產量性狀的細微變化。幾個世紀以來,從自然界中尋找和利用QTL一直是植物育種者的目標,但最有價值的QTL - 那些導致性狀微妙變化的QTL - 是罕見的。Lippman和他的團隊現在已經證明,CRISPR產生的QTL可以與現有的QTL結合,創(chuàng)造出超出自然界發(fā)現的遺傳變異的“工具包”。
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