基因超进化

p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 以往，人们对转基因作物的争论焦点是，把外源基因（如来自病原体、细菌的基因）转入农作物后，外源基因是否存在安全隐患？那么，能否找到一条仅靠农作物自身基因突变，就获取作物抗病虫、抗除草剂等优良性状基因的路径？一种旨在实现上述目标的“基因超进化”技术已在四川诞生，并获四川省科技计划项目支持。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 目前，该项目科研团队已通过自主研发的“基因超进化”技术，在实验室内对水稻自身的EPSPS基因（抗草甘膦除草剂基因）进行高通量筛选、分离，促进其定向、高速进化，得到高抗草甘膦的功能性基因，并获得两项发明专利。 /p p strong & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 一个试管两天完成百万基因筛选 /strong /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 寻找优良基因一直是农业育种界的目标，但仅靠植物自身的基因突变，是漫长且随机的过程。上世纪90年代，种业巨头孟山都率先在农杆菌中分离出EPSPS基因的突变体CP4基因，并将该基因转入植物使其获得草甘膦抗性，这也开启了全球农业转基因的浪潮。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp “CP4并非来源植物，而是来自草甘膦生产工厂内发生突变的‘农杆菌’，这成为转基因作物最大的争议。”项目承担企业——四川天豫兴禾生物科技有限公司首席科学家胥南飞说，由于所有植物都不含有抗草甘膦基因，这使得传统的、仅限植物之间的基因育种，很难获得抗草甘膦的基因，最终科学家只有将细菌中的抗体基因转入植物。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 为找到一条仅靠农作物自身基因突变，就能获取抗病虫、抗除草剂等优良基因的路径，曾在孟山都、巴斯夫、拜尔等农业科技公司任职近20年的胥南飞，于2015年在四川创立企业并启动研发“基因超进化”技术。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp “基因超进化是指在一个特定的系统中，使植物的目标基因按照预设的要求，完成高效、快速、定向的进化过程，从而形成我们所需要的突变性状基因。”胥南飞说，这项技术的创新在于，能够将目标基因从水稻等作物中提取出来，在实验室进行大规模突变和高速筛选，“传统的基因进化、筛选，100万个基因才可能筛选出1个有用基因,且需要100亩土地、6个月时间才能完成；而运用基因超进化技术后，在实验室中完成100万个植物基因的筛选，仅需一个试管、两天时间就能完成。” /p p strong & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 为农作物基因编辑“量体裁衣” /strong /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 目前，胥南飞团队已承担四川省科技计划项目《植物抗草甘膦功能基因的快速进化与筛选研究》，其目标正是运用“基因超进化”的原理建立抗草甘膦除草剂基因的高效进化、筛选系统，使其能够大量地制造EPSPS基因突变体，并通过循环进化不断提升该基因对草甘膦的抗性。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 记者在胥南飞团队已获得的专利证书中看到，该团队已经筛选获得的高抗草甘膦基因，是当前全球使用最广泛的草甘膦抗性基因（CP4基因）抗性的2—3倍，同时全生育期抗性表现一致，性状更为稳定。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp “筛选来自植物自身的基因，能够为农作物基因编辑‘量体裁衣’。”胥南飞说，团队筛选出高抗草甘膦基因后，可以应用基因修饰技术将该基因导入植物体，快速获得所需要的植物新品种。“通过该系统筛选出的水稻EPSPS基因来自水稻本身，属于植物内源基因，后期应用极为方便。如采用全球最新的基因编辑方法将其导回水稻，可在2、3年的时间内，培育出非转基因抗草甘膦水稻新品种。” /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 由于基因超进化技术的高效性，目前胥南飞团队已将多种农作物基因进化为高抗草甘膦基因，并正通过基因编辑技术，尝试将这些来源于植物本身的高抗草甘膦基因导入农作物。“未来，该技术可用于改造玉米、小麦、大豆、油菜、棉花等农作物，获得相应非转基因抗草甘膦新品种。”他说，应用这些新品种对于减少农药用量、节约劳动力和生产成本、提高作物产量和品质都具有重要作用。 /p

棉花是全球重要的经济作物之一。它的纤维，俗称皮棉，是纺织工业主要的天然原料。全世界棉花种植面积约5亿亩，我国常年种植面积近8千万亩。棉花不但是重要的纤维和油料植物，而且是重要的植物蛋白来源。在食用油中，棉籽油的亚油酸含量最高，达到55.6%。除此以外，棉花种子中还含有极为丰富的蛋白质和脂肪等物质，棉籽榨油后的棉籽粉蛋白质高达45%&mdash 50%，远胜过大米、小麦，甚至超过花生、大豆的蛋白质含量。然而，由于一般栽培棉品种的种子和植株具有色素腺体，而色素腺体中含有的棉酚及其衍生物对人和单胃动物有毒，棉酚是棉属植物特有的化合物，这直接制约了棉籽作为食物资源的开发和利用。 近日，来自8个国家的70多名科学家共同参与的国际合作项目----棉花基因组测序完成。该研究的学术文章《棉花基因组的多倍化及纤维的发育》发表在《自然》杂志上。研究中，科学家们结合传统的Sanger测序与新一代454测序技术对雷蒙德氏棉基因组进行了组装工作，获得了其87.7%的全基因组序列，通过比较基因组以及进化分析发现，雷蒙德氏棉约在1300&mdash 2000万年前经历了一次全基因组复制事件。这次复制事件很可能不是雷蒙德氏棉的第一次基因复制，早在约1亿多年前，雷蒙德氏棉就可能经历了一次基因组复制事件。这些研究结果有利于人类认识古双子叶植物基因组的复制机制。经过雷蒙德氏棉基因组自身比对后，科研人员共鉴定出了2355个共性区域，并发现约有40%的旁系同源基因出现在不止一个共性区域，这表明了雷蒙德氏棉基因组在进化过程中可能经历过大量的染色体重排事件。 自2008年以来，棉花全基因组测序成为棉花基础研究领域的热点问题。下一步要在该成果基础上开发出快捷分子育种工具，实现基因组水平上的棉花分子设计育种，培育出高产、高质、抗病抗旱的棉花优良新品种。分子辅助设计育种和常规育种相结合是未来作物育种研究的必然发展方向，建立在基因组学研究基础上的分子辅助设计育种，因分子标记数量巨大、且不受基因表达时间、显隐性关系和环境条件的影响，大大提高了育种选择的准确性，缩短了育种周期，提高了选择效率。 参考文献：Repeated polyploidization of Gossypium genomes and the evolution of spinnable cotton fibres. NatureVolume:492,Pages:423&ndash 427Date published:(20 December 2012)DOI:doi:10.1038/nature11798

2023 年 10 月，陈士林团队在《自然-通讯》(Nature Communications) 发表“Characterization of the horse chestnut genome reveals the evolution of aescin and aesculin biosynthesis”的文章，作者采用多组学研究策略和质谱技术揭示了天然药物七叶皂苷和七叶素特异性合成的分子机制，并在大肠杆菌中实现了七叶素的绿色生物合成。研究背景现代植物化学和药理学的研究证明，草药中特异性积累的有效成分是其发挥药效的物质基础，七叶树属植物是一种温带北半球的多年生树木，该属植物由于分别含有药用活性成分七叶皂苷和七叶素被广泛应用于临床。七叶皂苷（玉蕊醇型三萜皂苷）制剂已经在临床中以口服、静脉注射和局部涂抹的方式广泛使用，用于治疗慢性静脉功能不全、水肿和痔疮等疾病。七叶素（香豆素类成分），也被称为 6,7- 二羟基香豆素 -6-O- 葡萄糖苷，与地高辛一起被广泛用作常见的眼药水七叶洋地黄双苷滴眼液的原料，以缓解眼疲劳、眼痛和干眼等症状。然而，目前对于这两种有效成分的合成、调控和转运机制的分子遗传学研究还相对薄弱。研究结果此次发表的研究通过空间代谢组揭示七叶皂苷在七叶树属植物娑罗子的子叶中特异性积累，解析了中华七叶树高质量基因组，并通过代谢组学、转录组学以及合成生物学技术等方法，成功解析七叶皂苷生物合成途径中关键的环化、氧化、酰基化和葡萄糖醛酸化等催化步骤。同时，课题组通过全被子植物基因组层面共线性研究发现该类三萜代谢基因簇的招募和进化模式，更好地理解了玉蕊醇型三萜类化合物在无患子目植物中的形成机制。针对七叶素的合成途径，研究团队根据关键基因在基因组中存在的拷贝数目及表达模式，筛选和验证了合成过程中关键基因的功能，在大肠杆菌中重建了七叶素的生物合成途径并完成了七叶素的绿色合成。研究结论本文以具有重要药用价值的七叶树为研究对象，综合运用基因组、转录组、代谢组、空间代谢组以及合成生物学等多种技术手段，揭示了七叶树中高价值代谢物七叶皂苷和七叶素的生物合成及进化过程。其意义在于，一方面为推动这些活性化合物的生物合成研究进展以促进其生产应用提供了良好的基础，另一方面为其他药用树木代谢物相关研究提供了良好的研究范式。专家团队此次发表的论文的共同第一作者为中国中医科学院中药研究所孙伟、尹青岗、万会花、高冉冉，共同通讯作者是中国中医科学院/成都中医药大学陈士林、北京化工大学孙新晓、东北林业大学徐志超。本草基因组学团队负责人陈士林院士 2022 年组织发布了千种本草基因组研究计划，在《创新》（The Innovation）、《自然-植物》（Nature Plants）、《分子植物》（Molecular Plant）、《自然-通讯》(Nature Communications) 等国际著名刊物发表了一系列的草药基因组学研究成果，极大地推动了学术界从分子遗传学层面理解中草药中有效成分的合成、转运、积累和调控，助力天然产物药物的绿色生物合成以及高含量药效成分品种的精准选育。参考文献：[1] Sun W, Yin Q, Wan H, et al. Characterization of the horse chestnut genome reveals the evolution of aescin and aesculin biosynthesis[J]. Nature communications, 2023, 14(1): 6470.