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巨大突破!添加一个肥胖蛋白,可使水稻、马铃薯增产50%!

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BioArt 2021-07-22 23:22

编者按

2011年,贾桂芳研究员和何川教授等研究人员在Nature Chemical Biology发文,报道了第一个RNA化学修饰m6A的去修饰酶FTO,首次揭示了RNA上的甲基化修饰动态可逆,对基因表达具有重要的调控功能,开启了“RNA表观遗传学”新方向。FTO为动物中的RNA去甲基酶,是动物中著名的肥胖基因,在植物中没有同源蛋白。7月22日,北京大学贾桂芳课题组与美国芝加哥大学何川课题组、贵州大学宋宝安课题组合作在Nature Biotechnology上发表了题为RNA demethylation increases the yield and biomass of rice and potato plants in field trials的研究论文。该研究发现,在水稻和马铃薯中引入FTO,可实现针对RNA修饰m6A去甲基化,并大幅提高作物产量和生物量。过表达FTO转基因水稻和马铃薯的产量和生物量增加了约50%。因此,该研究报道了一种表观遗传编辑育种新技术,开辟了一个全新的植物育种方向。中国科学院院士种康研究员和2019年诺贝尔经济学奖得主Michael Kremer教授对该研究给予了高度评价,在此一并发布,以飨读者!

点评 | 种康 (中国科学院院士)、Michael Kremer(2019年诺贝尔经济学奖得主)

责编 | 奕梵

随着世界人口的快速增长,至2050年粮食产量预期需要再增加50%才能完全满足需求,因此如何进一步提高作物产量是亟待解决的严峻问题。近年来全球气候变暖、土地干旱半干旱加剧、极端天气等也为粮食安全带来了巨大挑战。与此同时,土地沙漠化和荒漠化严重,对大自然和人类健康的危害也在日益加剧,如何打造“山水林田湖草”的整体生态体系建设的同时能提供更多的植物原材料也是亟待解决的问题。我国科学家在传统作物杂交育种和新分子育种提高作物产量做出了巨大的贡献,但依然迫切需要新技术应对未来的粮食挑战,森林草原修复,和提供足够的植物原材料等问题。

早在2010年何川教授首次提出“RNA表观遗传学”概念,大胆预测在RNA上可能存在可逆的化学修饰,如同DNA和组蛋白可逆化学修饰调控基因转录一样,对基因表达具有重要的调控功能。2011年,贾桂芳研究员(时为何川教授博士后)和何川教授美国芝加哥大学实验室其他成员一起发现了第一个RNA化学修饰m6A的去修饰酶,首次揭示了RNA上的甲基化修饰动态可逆,对基因表达具有重要的调控功能。该发现开启了“RNA表观遗传学(也称之为表观转录组学)”新方向。RNA表观遗传修饰m6A动态可逆,可以被甲基转移酶加上、去甲基酶去除,其依赖m6A结合蛋白识别,调控基因表达,包括选择性剪接、mRNA出核、mRNA稳定性和翻译,同时还可以调控转录。m6A在动物干细胞分化、组织发育,脑记忆、免疫,疾病等具有重要调控功能。

2021年7月22日,北京大学贾桂芳课题组与合作者美国芝加哥大学何川课题组、贵州大学宋宝安课题组在Nature Biotechnology上发表了题为“RNA demethylation increases the yield and biomass of rice and potato plants in field trials”的研究长文。该研究首次开发了利用RNA表观遗传修饰N6-甲基腺嘌呤(m6A)直接提高植物生物量、产量和抗逆的新技术。水稻单株产量实验室内增加达3倍,田间达50%。本项技术在单子叶植物水稻和双子叶植物土豆中的成功应用,预示该技术具有一定的植物普适性。本项研究开辟了全新的植物育种方向,是该领域的一项重大突破,对未来应对粮食危机,维护和改善生态体系和提供充足植物原材料提出了一种全新的技术。未来RNA表观遗传学改良育种新方向将有望对世界粮食作物和经济作物生产带来新的革命。

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在植物体内,m6A也是植物正常发育所必需的,在调控植物生长发育中起到重要作用。FTO为动物RNA去甲基酶,具有调控发育的功能,在植物中没有同源蛋白。在本研究中,研究者们在粮食作物水稻和经济作物马铃薯中引入FTO,实现针对RNA修饰m6A去甲基。田间试验结果表明,过表达FTO转基因水稻和马铃薯的产量和生物量都显著增加了约50%。进一步研究发现,过表达FTO可显著促进水稻分蘖形成和根系生长,增强光合作用,并具有抗旱能力。过表达FTO可促进根顶端分生组织细胞的增殖,增加根长和根的数目,从而促进根系生长。研究发现,以上表型均与FTO去甲基能力直接相关。深入研究其分子机理发现,FTO介导的m6A去甲基化可以促进染色质开放,激活转录,分别使叶片中约11000个基因和根里面约7000个基因表达上调,激活多个通路。这一结果也揭示染色质上RNA m6A甲基化对植物染色质状态和基因表达的重要作用。

该研究开发了一种革新的、具有普适性的表观遗传编辑育种技术,用于培育高产高生物量的优良品种,实现粮食增产。此外改造后的植物根系发达有望更加适应抗旱、抗逆等环境,未来该技术有望应用于森林草原生态修复问题。

北京大学化学与分子工程学院贾桂芳研究员、芝加哥大学何川教授和贵州大学宋宝安院士为该论文的共同通讯作者,北京大学化学与分子工程学院贾桂芳组博士后喻琼(作物RNA修饰研究),芝加哥大学何川组博士后刘顺(生物信息学分析)为该论文的共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金,国家重点基础研究发展计划项目,北京市自然科学基金、北京光元立方生物科技有限公司和钟子逸教育基金的资助。

专家点评

种康 (中科院植物所研究员,中国科学院院士)

贾桂芳与何川、宋宝安实验室联合,利用外源动物RNA去甲基酶FTO对植物RNA修饰m6A进行特异性去甲基化,激活了植物内部本身存在但我们之前一直不了解的开关。这项技术作为新的表观遗传编辑育种技术,在单子叶植物水稻和双子叶植物土豆都有效果,不仅提高大田产量和生物量,还具有根系发达、高光合效率和抗旱等特性,可能具有一定普适性。我期待这项技术未来可以应用于树、草和其他经济作物的改良,应用于生态改善和环境治理。这项研究工作揭示了RNA表观遗传在农业和生态领域未来可能会大放异彩。

Michael Kremer(迈克尔·克雷默)(芝加哥大学教授,著名发展经济学家,2019年诺贝尔经济学奖得主)(注:来源于芝加哥大学特邀Kremer教授对该工作做的评论)

This is a very exciting technology and could potentially help address problems of poverty and food insecurity at a global scale—and could also potentially be useful in responding to climate change.

原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41587-021-00982-9

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