科学之星高彩霞细说小麦改良 基因编辑护航粮产革命

  高彩霞在温室进行研究工作。受访者供图

  文|大公网记者周琳

  基因研究领域发展一日千里,先进的基因排序技术大大扩阔了解读和改造的可能性。2013年,中科院植物生物学家高彩霞率先在农作物上,成功使用名为“CRISPR-Cas9”的基因编辑技术,于小麦对抗“白粉菌”战线中找到突破点,并由此开拓基因编辑在植物育种、粮食增产之巨大应用前景。权威科学杂志《自然》对此给予高度评价,高彩霞去年入选《自然》10大中国科学之星,该刊赞扬她能在显微镜下看到别人看不到的东西。高彩霞接受大公网专访,细说研究路上点滴与感受。

  基因编辑技术能够让人类对目标基因进行“编辑”,实现对特定DNA片段的敲除、加入等,可应用于癌症等重疾治疗研究。CRISPR/Cas9问世,成为当前能在活细胞中最有效、最便捷地“编辑”任何基因的技术。技术风靡全球各地大型实验室,尽管在人类细胞核动物细胞里实现“剪切”,但尚未在植物中取得成功。

  挑战“六倍体”高难度

  高彩霞是东北人,曾在丹麦生活工作了十二年,海派豪爽。对于被评选为十大中国科学之星之一,她受访时称感到十分意外,说:“我就是比别人快了几天,就说我多了不起,那是自己欺骗自己。”高彩霞透露,自己最初对使用CRISPR-Cas9技术显得有些犹豫,其时,她工作的实验室已使用旧有技术实现82个基因的突变,转用新技术的念头让人感到畏惧。不过,高彩霞当时认为无论如何都应该试一试。

  经过长达一年紧张工作,她在中科院实验室里首次在农作物,特别是小麦和水稻上成功使用该技术,她说:“基因编辑基础研究,终于可在作物改良上有用武之地。”成功非侥幸,高彩霞取得博士学位后,于丹麦DLF公司工作长达12年,其间实现一次又一次突破,完成对几种性状的基因改造,包括控制重要草种的开花时间。2010年,高彩霞通过中科院人才引进计划回国,首要解决的是小麦基因编辑难题。

  小麦基因工程以高难度著称,部分原因是许多小麦株系都是“六倍体”。高彩霞发现,对于六倍体小麦,利用基因编辑技术既可同时“加工”多个基因组上的基因,也可只“加工”单个基因组上的基因。而通过将小麦3组基因组上的MLO基因全部敲除,小麦最终才能获得持久、广谱的白粉病抵抗能力。2014年,在中科院遗传与发育生物学研究所担任研究员的高彩霞,与中科院微生物研究所的邱金龙研究员合作,利用CRISPR-Cas9等技术,在六倍体面包小麦中成功实现同时编辑3个同源等位基因,由此赋予小麦对“白粉菌”的遗传性抵抗力,此一成果在《自然》子刊中发表。

  国家看重粮食安全

  高彩霞发表的研究获《自然》杂志分册评选为“二十年二十篇”优秀论文,她对此感到十分满意,说:“这是实打实的,二十篇里面只有我们一篇植物学。”很快,高彩霞就被学界认为是全球最优秀的小麦基因工程专家。欧洲普遍对基因改造作物抱有怀疑,高彩霞忆述,当年对自己的工作能否走出实验室感到悲观,说:“中国非常重视粮食安全生产,我身边一大批的植物学家回国,也让我下定了决心。”事隔多年,她对自己回国的决定感到十份满意。她说:“中国非常重视粮食安全,可以说,基因编辑在分子育种、粮食增产上有了左膀右臂。”

  【小百科】白粉病酿麦田大幅减产

  小麦白粉病是一种世界性病害,在各地小麦产区均有分布为害。被害麦田一般减产10%左右,严重地块损失高达20%-30%,个别地块甚至达到50%以上。白粉病在苗期至成株期均可为害。主要为害叶片,严重时也可为害叶鞘、茎秆和穗部。病部初产生黄色小点,而后逐渐扩大为圆形或椭圆形的病斑,表面生一层白粉状霉层,霉层以后逐渐变为灰白色,最后变为浅褐色,其上生有许多黑色小点。发病严重时植株矮小细弱,穗小粒少,千粒重(以克表示之一千粒种子重量)明显下降,严重影响产量。

  筛选致病基因百里挑一

  对高彩霞课题组成员来说,他们不仅是分子育种工作者,更是基因“编辑师”,他们的工作与编辑一样,离不开去芜存菁、精挑细选的范畴。

  以一个最寻常的基因编辑实验来说,首先在筛选的500棵植株中,有35棵植株检测到目标基因修饰,而在这35棵植株中,有一棵是3个目标基因同时发生修饰。从五百棵植种中筛选出35棵,再在当中选取一棵,研究人员数百中挑一,过程中困难重重。高彩霞忆述小麦抗白粉病研究课题时称,小麦是六倍体,基因组庞大,有三套基因组,需要同时挑除三个MLO致病基因,从而获得对白粉病具有广谱抗性的小麦材料,她说:“这个机率特别低,这种情况下我们想人为来制造这些机会是很困难的。”

  目前,基因组修饰的小麦材料对白粉病表现出良好广谱抗性,为小麦抗病基因功能研究及育种新材料和品种培育提供全新思路和技术路线。《自然─生物技术》杂志匿名评审专家,在评审语中写道:“这是一项非常精美的研究成果。”


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责任编辑:胡明明 DN009

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