加州大學柏克萊分校（UCB）創新基因組研究所的研究人員透過改變一種糧食作物的上游調控DNA，成功地提高了該作物的基因表現量。與以往利用CRISPR/Cas9 基因編輯技術消除或減少基因表現的研究不同，這項新研究首次採用了無偏見的基因編輯方法來增強基因表現並促進下游光合作用。

RIPE 團隊利用CRISPR/Cas9 技術，透過改變上游調控DNA 來提高水稻的基因表現量。雖然其他研究已經利用該技術敲除或降低了基因的表達，但他們的研究是首次採用無偏見的基因編輯方法來提高基因表現和下游光合作用活性。資料來源：RIPE 項目

「CRISPR/Cas9等工具正在加速我們微調作物基因表現的能力，而不僅僅是敲除基因或將其『關閉』。」該研究的第一作者、UCB Niyogi 實驗室前博士後研究員Dhruv Patel-Tupper 說：「過去的研究表明，這種工具可以用來降低參與重要權衡的基因的表達，例如植物結構和果實大小之間的權衡。據我們所知，這是第一項研究，我們詢問是否可以使用同樣的方法來增加基因的表達，並以一種無偏見的方式改善下游活性。

這項研究發表在《科學進展》（Science Advances）上，是”實現光合效率提高”（RIPE）計畫的一部分，該計畫是由伊利諾大學領導的一項國際努力，重點是透過提高糧食作物的光合效率來增加全球糧食產量。

利用天然植物基因

與利用來自其​​他生物的基因來改善光合作用的合成生物學策略不同，參與光保護過程的基因天然存在於所有植物中。 2018 年《自然-通訊》（Nature Communications）發表的一篇論文指出，透過在植物體內過量表達其中一種基因PsbS，可以提高作物的水分利用效率，受此啟發，Niyogi 實驗室及其負責人克里斯-尼約基（Kris Niyogi）希望弄清楚如何在不添加外來DNA 的情況下改變植物原生基因的表達。鑑於水稻是一種主食，而且三種關鍵光保護基因都只有一個拷貝，因此水稻被選為這項研究的理想對象。

研究人員使用CRISPR/Cas9 改變目標基因上游的DNA，該DNA 控制著基因的表達量和表現時間。他們的目標是發現這種改變如何能增強下游活性。

「他們的實驗結果超出了預期。」美國農業部AAAS 科技政策研究員帕特爾-圖珀說：”DNA 中增加基因表現的變化比我們預期的要大得多，也比我們在其他類似報道中看到的大很多。

「我們有點驚訝，但我認為這說明了植物和作物的可塑性有多大。經過數百萬年的進化和數千年的馴化，它們的DNA已經習慣了這些巨大的變化。”他補充說：”作為植物生物學家，我們可以利用這種’迴旋餘地’，在短短幾年內做出巨大改變，幫助植物更有效地生長或適應氣候變化。

基因修飾的影響與效率

研究人員了解到，反轉或調控DNA 的”翻轉”會導致PsbS 基因表現的增加。這個計畫的獨特之處在於，在對DNA 進行最大反轉之後，研究小組成員進行了一次RNA定序實驗，以比較水稻基因組中所有基因的活性在進行和未進行修改的情況下發生了怎樣的變化。他們發現，有差異表達的基因數量非常少，比類似的轉錄組研究少得多，這表明他們的方法並沒有影響其他重要過程的活性。

帕特爾-圖珀補充說，雖然研究小組證明這種方法是可行的，但仍然比較罕見。他們培育出的植物中約有1%具有理想的表型。

結論和對未來的影響

帕特爾-圖珀解釋了這項研究的影響，他說：”我們在這裡展示了一個概念驗證，即我們可以使用CRISPR/Cas9 在關鍵作物基因中產生變體，並獲得與傳統植物育種方法相同的飛躍，但針對的是我們想要設計的非常集中的性狀，而且時間尺度要快得多。問題，這些問題可能會延緩我們將這樣的工具迅速送到農民手中的速度。

編譯來源：ScitechDaily