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從基因中解鎖種子的秘密

2023-11-16 14:52:44   

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賴錦盛在玉米地進(jìn)行研究工作。受訪者供圖

糧安天下,種業(yè)為“芯”。種業(yè)作為農(nóng)業(yè)的“芯片”,對(duì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。

玉米是中國(guó)第一大糧食作物,年產(chǎn)量占全國(guó)糧食總產(chǎn)量約四成。多年來(lái),國(guó)家玉米改良中心主任、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院作物基因組與生物信息學(xué)系教授賴錦盛深耕種業(yè)研究,帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)面向玉米這個(gè)重要農(nóng)作物開(kāi)展研究,在基因測(cè)序、基因編輯和生物育種等領(lǐng)域取得了多個(gè)“從零到一”的突破。

補(bǔ)全基因組測(cè)序“空白”

本世紀(jì)初,被譽(yù)為生命科學(xué)“登月計(jì)劃”的人類基因組草圖公布,點(diǎn)燃了基因組學(xué)的“第一把火”。隨后,玉米等多個(gè)物種的參考基因組序列草圖相繼公布。然而,由于基因組的高度復(fù)雜性,全球科研人員一直沒(méi)能實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜生物的全基因組探索。

科學(xué)家為什么要探索玉米等物種的基因組?賴錦盛介紹,種子在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈處于頂端位置,也是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中最能體現(xiàn)科技含量的領(lǐng)域?;蚪M測(cè)序作為重要的基礎(chǔ)工作,能夠?yàn)樽魑镞z傳改良提供豐富的遺傳信息,推動(dòng)種子培育技術(shù)創(chuàng)新。

1996年,賴錦盛赴美國(guó)新澤西州立大學(xué)從事博士后工作,師從美國(guó)科學(xué)院院士喬基姆·梅辛教授。

“他是全球分子生物學(xué)和基因組測(cè)序的奠基人物,在美國(guó)玉米基因組測(cè)序和其他物種基因組學(xué)研究領(lǐng)域做了大量開(kāi)創(chuàng)性工作?!痹趯?dǎo)師的啟發(fā)下,賴錦盛回國(guó)后繼續(xù)開(kāi)展玉米基因組學(xué)研究。

2006年,賴錦盛來(lái)到中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)任教。2009年,他主持的“玉米基因組學(xué)與分子育種”課題開(kāi)啟;今年6月,賴錦盛團(tuán)隊(duì)在國(guó)際期刊《自然·遺傳學(xué)》上發(fā)表了論文《玉米全基因組所有染色體端粒到端粒完整無(wú)間隙組裝結(jié)果》,實(shí)現(xiàn)了在所有復(fù)雜動(dòng)植物基因組中首次真正意義上的全基因組完整無(wú)間隙組裝。

這篇論文被譽(yù)為基因組組裝和基因組學(xué)研究領(lǐng)域“里程碑式”突破,研究成果補(bǔ)全了國(guó)際玉米基因組草圖自2009年公布以來(lái)尚存的幾萬(wàn)個(gè)“空白”區(qū)域,攻克了復(fù)雜動(dòng)植物基因組組裝的“最后一道難題”。

“登上月球之前,人類總有一個(gè)‘月球夢(mèng)’,玉米基因組測(cè)序就是我的‘月球夢(mèng)’,這是一個(gè)科研人員本能的好奇?!辟囧\盛說(shuō)。

2019年,喬基姆·梅辛猝然離世,未能見(jiàn)到這項(xiàng)成果面世,這讓賴錦盛頗為遺憾。為此,他在論文的致謝部分特別標(biāo)注:謹(jǐn)以這項(xiàng)研究成果紀(jì)念導(dǎo)師。

突破基因編輯“卡脖子”難題

作為生物育種領(lǐng)域的顛覆性技術(shù),基因編輯技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。賴錦盛說(shuō),用“基因剪刀”切割不利的基因,去除不良性狀——這是基因編輯技術(shù)的一項(xiàng)基本應(yīng)用。

賴錦盛介紹,所謂“基因剪刀”,其實(shí)是能夠精準(zhǔn)剪切生物體遺傳物質(zhì)DNA的“基因編輯核酸酶Cas蛋白”,通過(guò)對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行靶向剪切,實(shí)現(xiàn)對(duì)生物基因組的精準(zhǔn)微調(diào),從而加速培養(yǎng)出具備高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆等優(yōu)秀農(nóng)藝性狀的作物。

2012年,法國(guó)科學(xué)家?,敿~埃爾·沙爾龐捷和美國(guó)科學(xué)家珍妮弗·杜德納共同開(kāi)發(fā)了Cas9基因編輯技術(shù),并于2020年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。隨后,科學(xué)家進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了Cas12a等基因編輯技術(shù)。但長(zhǎng)期以來(lái),這些基因編輯技術(shù)的核心專利,也就是“編輯器”,被少數(shù)國(guó)家壟斷。為了推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“種業(yè)科技自立自強(qiáng)、種源自主可控”的目標(biāo),2015年起,賴錦盛率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)投入“基因剪刀”的研發(fā)工作。

賴錦盛將研發(fā)“基因剪刀”的過(guò)程概括為“兩步走”:先是在數(shù)量眾多的微生物宏基因組中尋找有潛力切割基因的“剪刀”,然后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證哪一把“剪刀”能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)切割。

“研發(fā)工作無(wú)異于‘大海撈針’。”賴錦盛說(shuō),早期研究基因組學(xué)的經(jīng)歷幫助他在基因組大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)上取得突破。2021年,賴錦盛團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出兩把屬于中國(guó)的“基因剪刀”——“基因編輯新型底盤(pán)核酸酶Cas12i和Cas12j”,彌補(bǔ)了中國(guó)在基因編輯底盤(pán)工具領(lǐng)域的技術(shù)空白,打破了國(guó)外的技術(shù)壟斷。

目前,Cas12i和Cas12j已獲得中國(guó)內(nèi)地、中國(guó)香港地區(qū)專利授權(quán)和日本專利授權(quán),但賴錦盛仍不滿足:“Cas12i和Cas12j的編輯效率還有一定提升空間,對(duì)應(yīng)的衍生技術(shù)體系和應(yīng)用生態(tài)也尚待完善。此外,還需要研發(fā)更多新的基因編輯底盤(pán)工具,以滿足農(nóng)業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域基因編輯多樣性和個(gè)性化的需求?!彼f(shuō)。

“定制”優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)基因作物

今年中央一號(hào)文件提出,要加快玉米大豆生物育種產(chǎn)業(yè)化步伐,有序擴(kuò)大試點(diǎn)范圍,規(guī)范種植管理。

如何實(shí)現(xiàn)育種產(chǎn)業(yè)化?賴錦盛將科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化看作“相輔相成”的關(guān)系:“如果生物育種產(chǎn)業(yè)化跟不上,原始創(chuàng)新就會(huì)嚴(yán)重受阻;一旦產(chǎn)業(yè)化發(fā)展步入‘快車(chē)道’,不僅能借由市場(chǎng)檢驗(yàn)技術(shù)成果,還能獲得更多經(jīng)費(fèi)來(lái)反哺科研,進(jìn)一步提升我國(guó)種業(yè)研發(fā)能力和水平?!?/p>

自2021年轉(zhuǎn)基因玉米大豆產(chǎn)業(yè)化試點(diǎn)工作啟動(dòng)以來(lái),賴錦盛就持續(xù)關(guān)注生物育種產(chǎn)業(yè)化工作,他也通過(guò)研發(fā)轉(zhuǎn)基因玉米,身體力行地為這項(xiàng)工作提供技術(shù)支撐。

“我和團(tuán)隊(duì)研發(fā)的抗蟲(chóng)玉米ND207轉(zhuǎn)化體、耐除草劑玉米CC-2轉(zhuǎn)化體已經(jīng)相繼獲批國(guó)家生產(chǎn)應(yīng)用安全證書(shū),在產(chǎn)業(yè)化試驗(yàn)種植中,已選育出21個(gè)玉米新品種,其中2個(gè)成為我國(guó)首批轉(zhuǎn)基因產(chǎn)業(yè)化試點(diǎn)推廣種植品種。”賴錦盛說(shuō)。

賴錦盛介紹,雖然中國(guó)生物育種已取得一定進(jìn)展,但目前獲批安全證書(shū)的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品目標(biāo)性狀相對(duì)單一,集中在抗蟲(chóng)和耐除草劑,而產(chǎn)業(yè)化較早的美國(guó)等國(guó)家的產(chǎn)品還有抗旱、高產(chǎn)等多種類型。

“未來(lái)幾年,轉(zhuǎn)基因、基因編輯作物產(chǎn)業(yè)化大有可為。我和團(tuán)隊(duì)會(huì)面向產(chǎn)業(yè)需求,針對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸繼續(xù)攻克科技難關(guān),以基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究為源頭供給,持續(xù)推動(dòng)玉米等作物生物育種產(chǎn)品的更新迭代。”賴錦盛說(shuō)。

來(lái)源:人民網(wǎng)
編輯:牛姣
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