中美合作 | 马铃薯、水稻和小麦增产50%的突破性技术

来自芝加哥大学、北京大学和贵州大学的一组科学家宣布，操纵RNA可以让植物大幅增产，同时提高抗旱能力。新的RNA技术的突破使植物能够显著增加作物产量，提高耐旱性，这可能会对粮食短缺和产量产生影响，因为气候变化威胁到生态系统。

在最初的试验中，在水稻和马铃薯植株上添加一种名为FTO的蛋白质编码基因，在田间试验中使它们的产量提高了50%。植株长得明显更大，产生更长的根系，并能更好地忍受干旱胁迫。分析还表明，这些植物的光合速率提高了。

“变化真的是巨大的，”芝加哥大学的Chuan He教授说，他和北京大学的Guifang Jia教授共同领导了这项研究。“更重要的是，它几乎适用于我们迄今为止尝试过的所有类型的植物，这是一个非常简单的修改。”

研究人员对这一突破的潜力充满希望，尤其是在气候变化和全球作物系统面临的其他压力的情况下。几十年来，面对日益不稳定的气候和不断增长的全球人口，科学家们一直在努力提高作物产量。但是，这样的过程通常是复杂的，而且往往只导致增量的变化。

这一发现的方式则完全不同。

我们很多人都记得高中生物课上的RNA，我们学过RNA分子读取DNA，然后制造蛋白质来执行任务。但在2011年，He的实验室发现了哺乳动物基因表达的不同方式的关键，开辟了一个全新的研究领域。事实证明，RNA并不是简单地读取DNA蓝图，然后盲目地执行。细胞本身也可以调节蓝图的哪些部分得到表达。它通过在RNA上放置化学标记来调节蛋白质的组成和数量。

He和同事们立即意识到这对生物学有重大意义。从那时起，He的团队和世界各地的其他人一直在努力充实我们对这一过程的理解，以及它对动物、植物和不同人类疾病的影响。例如，He是一家生物技术公司的联合创始人，该公司目前正在开发基于靶向RNA修饰蛋白的新型抗癌药物。

He和前芝加哥大学博士后研究员、现北京大学副教授贾桂芳(Guifang Jia，音译)开始思考它是如何影响植物生物学的。

他们的研究重点是一种名为FTO的蛋白质，这是已知的第一种可以消除RNA上化学标记的蛋白质，贾在芝加哥大学做博士后研究时发现了这种蛋白质。科学家们知道它通过研究RNA来影响人类和其他动物的细胞生长，所以他们尝试将这种基因插入水稻植物中，然后惊奇地观察这些植物的生长。

“我想就在那时，我们所有人都意识到我们在做一件特别的事情，”He说。

在实验室条件下，这些水稻的产量是原来的三倍。当他们在实际的田间试验中尝试这种方法时，植株的质量提高了50%，产量也提高了50%。它们的根更长，光合作用更有效，能够更好地抵御干旱的压力。

科学家们在马铃薯植株上重复了这个实验，因为马铃薯属于一个完全不同的家族。结果是一样的。

“这表明某种程度的普遍性是非常令人兴奋的，”He说。

科学家们花了更长的时间才开始理解这是如何发生的。进一步的实验表明，FTO在植物开发的早期就开始发挥作用，提高了它产生的生物量总量。

科学家们认为FTO控制着一个被称为m6A的过程，这是RNA的一个关键修饰。在这种情况下，FTO通过消除m6A RNA来抑制一些告诉植物放慢生长速度和减少生长的信号。想象一条有很多红绿灯的道路;如果科学家挡住红灯，留下绿灯，越来越多的汽车可以沿着道路行驶。

总的来说，转基因植株产生的RNA明显多于对照植株。本文所描述的过程涉及到在植物中使用动物FTO基因。一旦科学家们完全理解了这种生长机制，He认为可能会有其他方法达到同样的效果。

He说:“似乎植物已经有了这层调控，而我们所做的就是利用它。所以下一步将是发现如何利用植物现有的基因来做到这一点。”

他可以想象未来各种各样的用途，He正在与大学和波尔斯基创业与创新中心合作，探索各种可能性。

He说:“除了食物，气候变化还有其他后果。也许我们可以在受威胁的地区改造草类，使其能够承受干旱。也许我们可以教中西部的一棵树长更长的根，这样它就不太可能在强风暴中被推倒。有很多潜在的应用。”

参考文献

RNA demethylation increases the yield and biomass of rice and potato plants in field trials