加州大学伯克利分校（UCB）创新基因组研究所的研究人员通过改变一种粮食作物的上游调控DNA，成功地提高了该作物的基因表达量。与以往利用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术消除或减少基因表达的研究不同，这项新研究首次采用了无偏见的基因编辑方法来增强基因表达和促进下游光合作用。
RIPE 团队利用 CRISPR/Cas9 技术，通过改变上游调控 DNA 来提高水稻的基因表达量。虽然其他研究已经利用该技术敲除或降低了基因的表达，但他们的研究是首次采用无偏见的基因编辑方法来提高基因表达和下游光合作用活性。资料来源：RIPE 项目
"CRISPR/Cas9等工具正在加速我们微调作物基因表达的能力，而不仅仅是敲除基因或将其'关闭'。"该研究的第一作者、UCB Niyogi 实验室前博士后研究员 Dhruv Patel-Tupper 说："过去的研究表明，这种工具可以用来降低参与重要权衡的基因的表达，例如植物结构和果实大小之间的权衡。据我们所知，这是第一项研究，我们询问是否可以使用同样的方法来增加基因的表达，并以一种无偏见的方式改善下游活性。"
这项研究发表在《科学进展》（Science Advances）上，是"实现光合效率提高"（RIPE）项目的一部分，该项目是由伊利诺伊大学领导的一项国际努力，重点是通过提高粮食作物的光合效率来增加全球粮食产量。
利用天然植物基因
与利用来自其他生物的基因来改善光合作用的合成生物学策略不同，参与光保护过程的基因天然存在于所有植物中。2018 年《自然-通讯》（Nature Communications）发表的一篇论文指出，通过在植物体内过量表达其中一种基因 PsbS，可以提高作物的水分利用效率，受此启发，Niyogi 实验室及其负责人克里斯-尼约基（Kris Niyogi）希望弄清楚如何在不添加外来 DNA 的情况下改变植物原生基因的表达。鉴于水稻是一种主食，而且三种关键光保护基因都只有一个拷贝，因此水稻被选为这项研究的理想对象。
研究人员使用 CRISPR/Cas9 改变目标基因上游的 DNA，该 DNA 控制着基因的表达量和表达时间。他们的目标是发现这种改变如何能增强下游活性。
"他们的实验结果超出了预期。"美国农业部 AAAS 科技政策研究员帕特尔-图珀说："DNA 中增加基因表达的变化比我们预期的要大得多，也比我们在其他类似报道中看到的要大得多。"
"我们有点惊讶，但我认为这说明了植物和作物的可塑性有多大。经过数百万年的进化和数千年的驯化，它们的DNA已经习惯了这些巨大的变化。"他补充说："作为植物生物学家，我们可以利用这种'回旋余地'，在短短几年内做出巨大改变，帮助植物更有效地生长或适应气候变化。"
基因修饰的影响和效率
研究人员了解到，反转或调控 DNA 的"翻转"会导致PsbS 基因表达的增加。这个项目的独特之处在于，在对 DNA 进行最大反转之后，研究小组成员进行了一次RNA测序实验，以比较水稻基因组中所有基因的活性在进行和未进行修改的情况下发生了怎样的变化。他们发现，有差异表达的基因数量非常少，比类似的转录组研究要少得多，这表明他们的方法并没有影响其他重要过程的活性。
帕特尔-图珀补充说，虽然研究小组证明这种方法是可行的，但仍然比较罕见。他们培育出的植物中约有1%具有理想的表型。
结论和对未来的影响
帕特尔-图珀解释了这项研究的影响，他说："我们在这里展示了一个概念验证，即我们可以使用 CRISPR/Cas9 在关键作物基因中产生变体，并获得与传统植物育种方法相同的飞跃，但针对的是我们想要设计的非常集中的性状，而且时间尺度要快得多。这肯定比使用转基因植物方法更困难，但通过改变已经存在的东西，我们也许能够预先解决监管问题，这些问题可能会延缓我们将这样的工具迅速送到农民手中的速度。"
编译来源：ScitechDaily