科學之星高彩霞細説小麥改良 基因編輯護航糧產革命

  高彩霞在温室進行研究工作。受訪者供圖

  文|大公網記者周琳

  基因研究領域發展一日千里,先進的基因排序技術大大擴闊了解讀和改造的可能性。2013年,中科院植物生物學家高彩霞率先在農作物上,成功使用名為“CRISPR-Cas9”的基因編輯技術,于小麥對抗“白粉菌”戰線中找到突破點,並由此開拓基因編輯在植物育種、糧食增產之巨大應用前景。權威科學雜誌《自然》對此給予高度評價,高彩霞去年入選《自然》10大中國科學之星,該刊讚揚她能在顯微鏡下看到別人看不到的東西。高彩霞接受大公網專訪,細説研究路上點滴與感受。

  基因編輯技術能夠讓人類對目標基因進行“編輯”,實現對特定DNA片段的敲除、加入等,可應用於癌症等重疾治療研究。CRISPR/Cas9問世,成為當前能在活細胞中最有效、最便捷地“編輯”任何基因的技術。技術風靡全球各地大型實驗室,儘管在人類細胞核動物細胞裏實現“剪切”,但尚未在植物中取得成功。

  挑戰“六倍體”高難度

  高彩霞是東北人,曾在丹麥生活工作了十二年,海派豪爽。對於被評選為十大中國科學之星之一,她受訪時稱感到十分意外,説:“我就是比別人快了幾天,就説我多了不起,那是自己欺騙自己。”高彩霞透露,自己最初對使用CRISPR-Cas9技術顯得有些猶豫,其時,她工作的實驗室已使用舊有技術實現82個基因的突變,轉用新技術的念頭讓人感到畏懼。不過,高彩霞當時認為無論如何都應該試一試。

  經過長達一年緊張工作,她在中科院實驗室裏首次在農作物,特別是小麥和水稻上成功使用該技術,她説:“基因編輯基礎研究,終於可在作物改良上有用武之地。”成功非僥倖,高彩霞取得博士學位後,于丹麥DLF公司工作長達12年,其間實現一次又一次突破,完成對幾種性狀的基因改造,包括控制重要草種的開花時間。2010年,高彩霞通過中科院人才引進計劃回國,首要解決的是小麥基因編輯難題。

  小麥基因工程以高難度著稱,部分原因是許多小麥株系都是“六倍體”。高彩霞發現,對於六倍體小麥,利用基因編輯技術既可同時“加工”多個基因組上的基因,也可只“加工”單個基因組上的基因。而通過將小麥3組基因組上的MLO基因全部敲除,小麥最終才能獲得持久、廣譜的白粉病抵抗能力。2014年,在中科院遺傳與發育生物學研究所擔任研究員的高彩霞,與中科院微生物研究所的邱金龍研究員合作,利用CRISPR-Cas9等技術,在六倍體面包小麥中成功實現同時編輯3個同源等位基因,由此賦予小麥對“白粉菌”的遺傳性抵抗力,此一成果在《自然》子刊中發表。

  國家看重糧食安全

  高彩霞發表的研究獲《自然》雜誌分冊評選為“二十年二十篇”優秀論文,她對此感到十分滿意,説:“這是實打實的,二十篇裏面只有我們一篇植物學。”很快,高彩霞就被學界認為是全球最優秀的小麥基因工程專家。歐洲普遍對基因改造作物抱有懷疑,高彩霞憶述,當年對自己的工作能否走出實驗室感到悲觀,説:“中國非常重視糧食安全生產,我身邊一大批的植物學家回國,也讓我下定了決心。”事隔多年,她對自己回國的決定感到十份滿意。她説:“中國非常重視糧食安全,可以説,基因編輯在分子育種、糧食增產上有了左膀右臂。”

  【小百科】白粉病釀麥田大幅減產

  小麥白粉病是一種世界性病害,在各地小麥產區均有分佈為害。被害麥田一般減產10%左右,嚴重地塊損失高達20%-30%,個別地塊甚至達到50%以上。白粉病在苗期至成株期均可為害。主要為害葉片,嚴重時也可為害葉鞘、莖稈和穗部。病部初產生黃色小點,而後逐漸擴大為圓形或橢圓形的病斑,表面生一層白粉狀黴層,黴層以後逐漸變為灰白色,最後變為淺褐色,其上生有許多黑色小點。發病嚴重時植株矮小細弱,穗小粒少,千粒重(以克表示之一千粒種子重量)明顯下降,嚴重影響產量。

  篩選致病基因百裏挑一

  對高彩霞課題組成員來説,他們不僅是分子育種工作者,更是基因“編輯師”,他們的工作與編輯一樣,離不開去蕪存菁、精挑細選的範疇。

  以一個最尋常的基因編輯實驗來説,首先在篩選的500棵植株中,有35棵植株檢測到目標基因修飾,而在這35棵植株中,有一棵是3個目標基因同時發生修飾。從五百棵植種中篩選出35棵,再在當中選取一棵,研究人員數百中挑一,過程中困難重重。高彩霞憶述小麥抗白粉病研究課題時稱,小麥是六倍體,基因組龐大,有三套基因組,需要同時挑除三個MLO致病基因,從而獲得對白粉病具有廣譜抗性的小麥材料,她説:“這個機率特別低,這種情況下我們想人為來製造這些機會是很困難的。”

  目前,基因組修飾的小麥材料對白粉病表現出良好廣譜抗性,為小麥抗病基因功能研究及育種新材料和品種培育提供全新思路和技術路線。《自然─生物技術》雜誌匿名評審專家,在評審語中寫道:“這是一項非常精美的研究成果。”


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責任編輯:胡明明 DN009

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