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钱文峰研究组开发出植物基因驱动工具

    面对杂草对农业生产带来的威胁以及入侵植物所导致的环境危机等多样化挑战,对野生植物进行群体水平上的基因控制已经成为一种潜力巨大且具有革命性的策略。由于人们试图引入野生植物的性状(如对除草剂的敏感性等)往往对植物本身是不利的,受限于经典的孟德尔遗传和达尔文选择规律,这些性状无法在目标群体中自然扩散开来。然而,在植物基因组中天然存在着一类自私的基因或遗传元件,能够使得自身以超越孟德尔定律的比例(50%)传递给后代,被称为基因驱动(gene drive)元件。受天然基因驱动元件的启发,开发人工基因驱动工具则为改造野生植物群体提供了潜在解决方案。

    近期,中国科学院遗传与发育生物学研究所钱文峰团队在植物中成功开发了一种名为CAIN(CRISPR-Assisted Inheritance utilizing NPG1)的基因驱动系统。该系统基于“毒药-解药”机制,通过在植物花粉中产生毒药效应,颠覆孟德尔遗传规律。具体而言,CRISPR/Cas9靶向切割花粉萌发所必需的基因NPG1(No Pollen Germination 1),作为毒药阻止花粉萌发;重新编码的、不受CRISPR/Cas9切割的NPG1拷贝作为解药,为携带基因驱动元件的花粉回补正常萌发所需的基因功能。虽然基因驱动工具的实际应用对象为野外异交繁殖的物种,但为了保证工具开发过程中的生物安全,研究人员选用了自交繁殖的拟南芥作为材料。研究结果显示,基因驱动工具CAIN在连续两个人工杂交世代中表现出了显著的高效遗传(88-99%),远高于孟德尔遗传的期望比例50%。

    CAIN的成功开发有望为控制杂草数量以及保护植物多样性等方面提供技术支持,用于未来快速改良或抑制野生植物群体,为应对农业和生态挑战开辟了新的方向。研究结果以题为“Overriding Mendelian inheritance in Arabidopsis with a CRISPR toxin-antidote gene drive that impairs pollen germination”的研究论文于2024年6月17日在线发表于《Nature Plants》(DOI:10.1038/s41477-024-01692-1)。钱文峰研究组博士后刘洋为论文第一作者,钱文峰研究员为通讯作者,研究组博士研究生焦丙可和北京大学的Jackson Champer研究员也参与了该研究工作。该研究得到了中国科学院战略性先导专项和中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划的资助。

图:基因驱动工具CAIN的设计原理及其超孟德尔遗传方式

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