兴坤 发自 凹非寺

量子位 报道 | 公众号 QbitAI
找到正确的道路，作物增产50%不是梦。
传统的农业生产方式，对产量的提升程度有限。为了寻找新的突破，北大研究团队从动物中做文章，利用动物肥胖基因让植物“增肥”。
动物的基因在植物里能起到作用的，当然不是脂肪合成。控制脂肪合成的基因，要如何工作还受另外的基因控制。
而这种像司令官一样指挥别的基因工作的基因，无论是动物还是植物中，下达命令的方式都是相同的。
所以，借动物中的司令官基因来用用，指挥植物基因的工作，加快生产进程，达到突破性提高作物产量的目的。

他们对水稻做了什么

让植物受动物基因指挥，通俗来讲，就是转基因。
转入动物肥胖基因FTO到水稻细胞中，用它来发挥控制基因表达的作用，以此达到提高产量的目的。
就具体转入过程而言，就是将FTO基因片段搭载于环状DNA，通过根癌农杆菌侵染植物细胞，进入到植物细胞中。
FTO基因在水稻细胞中表达的蛋白，可以擦除RNA甲基化修饰m6A，并且影响相关RNA功能表达。
这样转基因过程后的结果就是：
水稻单株产量提高到原来的三倍，大田种植转基因水稻获得1.5倍产量。
△
Nipp-未改造株系；FTOmut-导入外源FTO基因但抑制其表达株系；FTO-过表达FTO基因株系

结果可不可靠，又是另一个值得讨论的问题。
单子叶作物水稻，转基因可获得高产效果。双子叶作物马铃薯，做同样的转基因处理，也得到了增产50%的成果。
△EM3-未改造株系；FTO-过表达FTO基因株系
除了增产，转基因对水稻其他性状也产生了影响。
转入的基因促进根系顶端分生组织细胞增殖，提高了根系数目和根长数据。
转基因水稻分蘖数增加，提高了光合作用效率，获得了更多生物量积累。

FTO如何发挥作用

动物肥胖基因FTO在水稻细胞中，如何发挥控制水稻基因表达的作用？
要探究这个过程，就需要了解FTO蛋白的工作原理，以及相关的生理过程。

首先了解FTO蛋白的作用对象m6A。

m6A
——RNA链上腺嘌呤第6位氮原子的甲基化修饰，是存在最多的mRNA修饰方式，在RNA翻译蛋白质过程调控基因表达。

m6A主要存在于mRNA非翻译区，参与mRNA加工过程，并起到翻译起始、维持稳定性等作用。由甲基化转移酶（Writers）、去甲基化酶（Erasers）和甲基化阅读蛋白（Readers）共同调控。所有与RNA相关的功能均受m6A影响。

其次了解FTO在细胞中的作用。

FTO是第一个被发现的m6A脱甲基酶（Erasers），FTO蛋白擦除RNA链上m6A，可以促进染色质开放，激活转录。改变相关基因表达进程。
FTO介导的去甲基影响细胞生长和繁殖，在哺乳动物中与脂肪发育密切相关。在植物中，引入m6A脱甲基酶调节m6A水平，同样可以起到改变植物生长的作用。
转入并成功表达的FTO分别使水稻叶片和根系中约11000、7000个基因表达量增加，激活多个生理通路。
△
展示多个与FTO蛋白相关生理过程中基因的表达量变化

这项技术的应用前景

以上研究内容表明，转入FTO蛋白基因对水稻产量的提升取得了突破，该技术在农作物增产方面具有应用价值。
FTO基因经验证可以使不同作物均有效提高产量，证明这个方法具有普遍适用价值。对大多数植物只需要打开“FTO”开关，即可实现产量的大幅度提升。
FTO对功能基因表达的调控，不仅增加了产量，也改变了作物根系等农艺性状，提高了耐干旱能力，对特用作物的品种改良提供新思路。
例如，植物改造过后的发达根系应用在防风固沙方面；贫瘠环境下牧草青饲料等提高生物总量；用于改善土质修复土壤的特用作物，适应更恶劣环境等。

转基因安全性的思考

既然这项技术应用前景广阔，那么未来发展方向就是被迅速推广，但是它作为转基因技术，安全性是广泛应用的重要前提。
研究单位何川课题组对此回应：“转入基因是人类体内常见的FTO蛋白基因，通过对植物RNA表观修饰进行编辑，开启了植物高产、高生物量的通路。”
一方面被转入的外源基因是人体内原有的基因，另一方面基因起作用在RNA翻译蛋白质过程，理论上没有直接参与生物质的合成。
同时何川教授也强调，期待国家出台针对性审批标准，以推动这项技术在安全规范的前提下推广落地。

研究团队

该研究主要由北京大学贾桂芳课题组、美国芝加哥大学何川课题组、贵州大学宋宝安课题组开展进行。
2010年，何川首次提出“RNA表观遗传学”，预测了RNA上可能存在可逆化学修饰。

2011年，贾桂芳与何川课题组其它成员一起发现了第一个m6A去修饰酶FTO，首次揭示了RNA甲基化修饰的动态可逆，开启了“RNA表观遗传学”新方向。
参考论文:

https://www.nature.com/articles/s41587-021-00982-9
参考链接:

https://phys.org/news/2021-07-rna-breakthrough-crops-potatoes-rice.html
— 完 —
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关键词
甲基化
作用
甲基化修饰
细胞中
基因表达