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基因超进化:农作物转基因之外的一条新路径

18-02-11 10:42 来源:科技日报 编辑:强励耘

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。

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。

一个试管两天完成百万基因筛选

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。

“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。

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。

“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。”

为农作物基因编辑“量体裁衣”

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。

科技日报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。

“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。”

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。

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