Nature子刊：去除转基因，提高育种效率的新方法

几十年来，通过基因工程育种更好的作物已经成为可能，但转基因植物的使用一直受到技术挑战和普遍争议的限制。一种新的方法可能解决这两个问题，方法是修改植物细胞产生能量的部分，然后去掉DNA编辑工具，这样它就不会被未来的种子继承。东京大学的遗传学家最近在《自然植物》(Nature plants)杂志上发表了概念验证实验，展示了这项技术。

“现在我们有了一种方法，可以专门修改叶绿体基因，并测量它们培育出优质植物的潜力，”负责这项研究的副教授Shin-ichi Arimura说。

叶绿体是植物细胞中将二氧化碳和阳光转化为糖的部分，它拥有自己的环状DNA，由与细胞核中的双螺旋DNA相同的ATCG编码组成。然而，叶绿体DNA是保持和继承完全独立于核DNA。每个细胞可以包含多个叶绿体，每个叶绿体都有许多相同的DNA拷贝。如果任何基因组编辑都要产生显著的影响，使其能被植物的后代继承，那么每一个叶绿体DNA拷贝都必须进行同样的改变。

在20世纪90年代，专家们发明了一种将新的DNA片段插入叶绿体基因组的技术，但它也插入了额外的基因标签或标记。

Arimura和他的同事们的目标是，只对叶绿体DNA的特定部分进行统一的、可遗传的修改，而不留下基因组编辑工具或永久改变核DNA。他们从一个被称为TALENs的现有工具开始。最初的TALENs使用一种大型蛋白质来识别特定的短DNA序列，并用一种酶来剪切该DNA。近年来，其他研究小组对TALEN技术进行了改进:DNA识别序列可以定制，DNA切割酶可以被一种酶取代，将DNA代码中的GC对变成AT对。

这些GC到AT的变化是微妙的——只是把DNA密码的一个点改变成另一个点，而不是插入或删除整个基因。然而，点突变的作用取决于它们的位置。

Arimura的团队结合了TALEN的这些改进，并添加了额外的“叶绿体靶向”成分，称他们的最终版本为ptpTALECDs。对于研究人员想要进行的每一次基因组编辑，他们都需要在细菌中建立一对匹配的ptpTALECDs。设计过程是复杂的，因为一对大的TALENs蛋白和叶绿体靶向信号必须同时表达为来自核DNA的单个单元。

“建造ptpTALECDs是一个极其费力的过程，但我们有一位非常专注的硕士学生，他完成了几乎所有的工作，”Arimura说。Nakazato是该文章的第一作者。

设计好ptpTALECDs的DNA序列后，研究人员将其插入拟南芥(一种研究实验室中常见的水芹菜)中。UTokyo大学的研究人员相信，在制造出ptpTALECDs之后，可以将其植入许多作物物种中，因为这部分过程在农业和植物学实验室中是一个简单而标准的程序。

ptpTALECDs进入植物的细胞核，然后细胞产生ptpTALECDs的方式与它们产生任何其他蛋白质的方式相同。叶绿体靶向序列确保完成的ptpTALECD蛋白从细胞核中穿梭到叶绿体中，然后在那里它们可以编辑每一个叶绿体基因组。

这第一代植物被认为是转基因生物(GMOs)，因为它们的核DNA被永久改变，含有ptpTALECD序列。

当这些转基因植物通过自身受精或与非转基因（野生型）植物繁殖时，下一代植物以正常方式继承细胞核DNA，这意味着胚珠和花粉之间的基因是混合和匹配的。一些种子继承ptpTALECD序列，而其他种子则不继承。

然而，植物总是通过它们的“母亲”，即胚珠完整地继承它们的叶绿体。因此，无论下一代植物继承了什么样的核DNA，如果它们的母本植物有修饰过的叶绿体，下一代总是会继承修饰过的叶绿体。

研究人员在后代中寻找没有遗传经过编辑的核DNA，但遗传了修饰的叶绿体的植物。这些第二代植物及其后代的成员可以被视为非转基因最终产品，因为它们的核DNA不包含ptpTALECDs的基因工程机制。

法律定义各不相同，但广义而言，各国在决定将一种生物标记为转基因生物时，要么评估最终产品，要么评估过程。根据日本和美国使用的最终产品定义，用这种技术生产的植物不是转基因植物。然而，根据欧盟使用的基于过程的定义，同样的植物是转基因生物。

到目前为止，Arimura的团队通过编辑三个叶绿体基因并观察后代植物的预期效果证明了他们的系统是有效的。

“在植物中，叶绿体DNA只编码不到1%的遗传物质，但它对光合作用以及植物的健康有着非常重要的影响。希望这种方法将在基础研究和应用农业中有用。”

研究人员乐观地认为，基因工程工具会被后代继承，而且这种方法只进行点突变，这将确保该方法将被用于培育农民和消费者接受的更好的作物。

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Targeted base editing in the plastid genome of Arabidopsis thaliana