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2020年第6期(发布时间: Oct 13, 2020 发布者:张毅)  下载: 2020年第6期.doc       全选  导出
1   2020-10-11 22:38:13.403 转基因植物新材料育种价值评估 (点击量:6)

作者:姜奇彦 胡正 孙现军 张辉 (中国农业科学院作物科学研究所)

引言

当前,以转基因育种为代表的生物育种技术发展迅猛,正在推动常规育种全面升级,引领育种产业发生重大变革。从研发进展来看,从基因克隆到新品种培育就像一个金字塔,众多实验室开展了基因克隆、功能分析及优异基因挖掘的研究工作,组成了转基因育种的重要基石。优异基因的遗传转化、转基因材料的创制和目标性状的功能效率评价,作为转基因育种的一个重要阶段承上启下。之后优异的转基因材料从实验室走向田间,完成小、中、大规模的中间试验、环境释放、生产性试验阶段,经受住严格的安全性评价,包括食品安全和环境安全,然后才可以申报安全证书。走到这一阶段的材料可以说是凤毛麟角了。但随着我国转基因研究成果的不断涌现,取得生物安全证书后的转基因植物是否可以作为种质资源利用,进入育种程序,它们的育种利用价值如何,还需要深入评估,才可以不断缩小克隆的基因与育种利用之间的差距,加速转基因作物新品种培育的育种进程。

顾名思义,育种价值评估就是对转基因材料进行育种利用价值进行评估,具体包括功能基因知识产权分析,育种利用价值评估,以及转基因新材料保存及育种价值评估信息管理等几个方面。

功能基因知识产权分析

转基因新材料育种价值评估和知识产权分析有什么关系呢?在世界各国加快培育生物产业、抢占生物经济发展先机的激烈竞争中,知识产权成为占领生物技术制高点,圈占世界生物遗传资源的有力工具。据不完全统计,主要发达国家和国际生物技术公司在农业生物技术领域部署的专利、品种权等知识产权数量估计在30万件以上。与跨国种业巨头相比,国内研究机构在知识产权拥有量,特别是核心功能基因的专利数量与质量上还存在较大差距,很容易陷入跨国公司的知识产权陷阱,从粮种源头丧失保障国家粮食安全的能力。面对发达国家远谋深虑的知识产权布阵设防,必须对我国重要性状基因的知识产权进行科学系统的分析,通过掌握这些重要功能基因在全球知识产权保护的范围、重点及趋势,设计出我国转基因农作物新品种培育、转基因育种成果产业化的合理发展路径,才能有效突破发达国家的专利封锁与围剿,培育出具有自主知识产权的功能基因和生物新品种,这样的转基因新材料才具有更高的自主创新性和更大的育种利用价值。

知识产权的分析包括很多方面,如转基因技术,克隆的基因,甚至包括转基因过程中用到的一些载体、菌株、启动子等。主要通过专利广泛检索获取原始数据,然后进行数据处理、分析和解读,进行知识产权分析,最终为我国的转基因事件提出规避专利纠纷的建议策略。如日本烟草公司(Japan Tobacco INC)建立的农杆菌介导的小麦遗传转化新技术的转化效率高达40%,给小麦功能基因的研究带来了革命性的发展机遇。如果使用该技术,需要从日本烟草公司购买该项专利技术的使用权,并签订相关的规范性文件。而遗传转化过程中用到的载体如pCambia3301、菌株如LBA4404和ubiquitin启动子都是在生物学研究常用的,不受专利保护。采用具有独立自主知识产权的愈伤组织特异性表达的启动子CP代替35S/Ubi来启动选择性标记基因的表达,可以回避因Monsanto公司持有35S启动子而可能产生的专利权纠纷。

转基因植物新材料育种价值评估

转基因生物育种是一项系统科学工程,包含基因克隆、遗传转化、转基因材料创制、新品种培育、产业化推广应用等环节。例如在杜邦先锋种业公司,将转基因生物技术发展归纳为七个阶段(A到G),包含A(New ideas)、B(Evaluate genetic approaches)、C(Optimize gene construct)、D(Create commercial event)、E(Commercial event to regulatory)、F(Breeding and testing)、G(Sell product),其中将E具有育种利用价值的“最佳转化事件”定为最重要的阶段。在我国也在不断加强基因和育种材料的利用价值评估工作,目的是筛选具有重要应用前景的基因和材料,并快速应用于新品种研发。

转基因植物新材料的育种价值评估主要针对目标性状,如抗病虫、抗逆、高产、优质等等。首先明确目标性状的鉴定技术,制定或完善转基因植物目标性状鉴定技术规范或技术标准,利用这些规范或标准对转基因植物新材料的育种利用价值开展综合评估,最终筛选出有重大育种价值的基因和转基因作物育种新材料,应用于转基因生物育种。

对于重大育种价值基因针对不同性状,我国也有初步的判定标准。总体来讲,转基因或分子标记辅助育种研究结果表明重大育种价值基因应该对目标生物的重要经济性状具有显著改良效果,但对其他性状无不良影响。具体举例来讲,如抗棉铃虫性状,参考国家现有棉铃虫抗性标准,抗性达1级以上;如小麦各类抗病性状,抗性达1级以上;如植物抗逆性状,在半致死剂量逆境条件下,与对照相比,转基因作物存活率提高10%以上;在正常环境下,对作物生长发育没有显著负面影响;抗除草剂性状,抗草甘瞵EPSP合酶基因,可以耐受4倍生产上使用剂量的草甘膦,抗草甘瞵N-乙酰转移酶基因,可以耐受4倍生产上使用剂量的草甘膦;作物高产性状,通过转基因或分子标记辅助选择在作物中进行了基因功能验证,提高作物产量5%以上;作物品质性状,极显著改进外观品质,如籽粒外观、加工品质、食味、营养价值等性状,极显著改进度量品质,如纤维长度、强度、细度;作物蛋白质、淀粉、油分、油酸和不饱和脂肪酸、赖氨酸、含硫氨基酸等性状,性状值提高5%以上。养分高效性状,能明显提高养分的吸收或利用效率,与对照相比,在产量不变的前提下,能减少5%-10%氮、磷或钾肥的用量,或在同等施肥条件下,产量比对照提高5%以上;光能高效性状,能明显提高目标作物的光能吸收或利用效率,与对照相比,光能利用效率或抗光氧化能力提高5%以上,或生物量/产量比对照提高5%以上。

对于转基因育种新材料需要具备目标性状表现突出、重要经济性状表现稳定的特点。举例来讲,抗白叶枯病转基因水稻,抗白叶枯病效果达到高抗。鉴定标准参照国际水稻研究所9级分级标准。耐盐转基因水稻,耐盐效果达到中抗以上,鉴定标准参照国际水稻研究所制定的9级分级标准制定。高产转基因水稻,与受体对照品种比较,产量增加10%以上;与区试对照品种比较,产量增加5%以上。抗逆转基因小麦,抗旱性达到极强或强水平,鉴定方法参照2008年农业部颁布实施的“小麦抗旱性鉴定评价技术规范”(GB/T 21127—2007)。高产转基因玉米,东北春玉米区,与受体对照品种比较,产量增加8%以上,与区试对照品种比较,产量增加6%以上;黄淮海夏玉米区,与受体对照品种比较,产量增加5%以上,与区试对照品种比较,产量增加3%以上;西南山地玉米区:与受体对照品种比较,产量增加10%以上;与区试对照品种比较,产量增加5%以上。针对不同的作物,不同的性状,都有各自初步的判定标准。

转基因新材料保存及育种价值评估信息管理

完成了对自主创新的新基因或转基因新材料的目标性状的评价似乎就完成了转基因作物育种价值评估过程。但从长远来讲,这些新材料的保存及信息、材料的共享利用,对于转基因材料在作物育种中的安全、广泛应用也很重要。

我国已建立了国家农作物种质资源库和保存中心,长期保存各类农作物基因资源39万余份,建立了农作物基因资源信息系统和农作物基因资源共享平台。国家种质库未针对转基因材料建立专门的保存设施,尚无转基因材料保存的相关技术标准,在保存手段上相对单一,不能较好地满足转基因材料的保存需求;现有的基因资源信息系统也未制定基因和转基因材料的相关数据标准,转基因材料的信息尚未进入基因信息数据库中,基因和转基因材料的信息,尤其是育种价值评估信息的共享几乎是空白,严重影响了转基因材料的深入和持续利用。许多转基因新材料未纳入国家种质资源保存体系,导致转基因材料分散于各研究单位或专家手中,不利于转基因材料的长期保存和利用,也容易引起潜在的基因污染。因此,迫切需要在国家农作物种质资源库的基础上建立转基因材料的国家管理和保存体系,对转基因材料进行集中编目、接收、检测、保存和分发利用,并建立基因和转基因新材料的数据库,开发信息管理系统,实施跟踪管理,并实现新材料与信息的社会共享。对转基因作物育种价值评估的范畴也应该包括对转基因材料保存的安全性、基因和转基因信息数据库的完善度、信息及材料共享利用的可行性等进行评估,为转基因材料在作物育种中的安全、广泛应用提供重要的保障。

当然,随着各种类型的转基因新材料的不断涌现,转基因新材料在作物育种应用中各种新问题的出现,以及育种家对转基因新材料应用的各种新要求的提出等,对转基因植物育种价值评估的内容及标准也会不断完善和更新,确保转基因新材料在未来转基因生物育种中发挥更重要的作用。

2   2020-10-11 22:36:16.997 佛罗里达蚊子:7.5亿转基因蚊子放飞引发的争议 (点击量:7)

美国佛罗里达州官员最近批准了放生7.5亿经过基因改造的埃及伊蚊(Aedes aegypti)。

众所周知,蚊子是传播多种疾病的媒介。而此举就是旨在减少携带登革热或寨卡病毒疾病的蚊子数量。

该项目经过多年辩论后终于放行,但仍然引来环保团体的强烈抗议,他们警告说它有可能会带来意想不到的后果。

还有一些活动人士警告,它有可能导致对生态环境的破坏,甚至产生抗杀虫剂的杂交蚊子。

但参与研制项目的公司称,转基因蚊子对人和环境不会产生不良影响。

按照计划,这些转基因蚊子将于2021年在佛罗里达礁岛链地区放飞。

今年五月,美国环境署批准了基因改造蚊子的生产,厂商是一家总部在英国而业务活动在美国的公司,Oxitec。

这批转基因蚊子代号为OX5034,它们是雄性埃及伊蚊。

在自然界中,只有雌性蚊子才会叮咬人类,雄蚊则以采集花蜜为食。

而埃及伊蚊是登革热、寨卡病毒、基孔肯雅热和黄热病等致命疾病的主要传播者。

在佛罗里达州南部,埃及伊蚊常常出没于城市地区。而且,在许多地区它们甚至对杀虫剂产生了抗药性。

灭蚊行动

雌性蚊子之所以叮人是因为它们需要血液才能产卵。

因此,研究人员希望通过释放基因改良后的雄蚊,让它们与自然界的雌性蚊子交配繁殖。

这种转基因雄蚊体内携带一种特殊蛋白,该蛋白会导致它们与雌蚊交配所产生的雌性后代在成熟咬人之前就死掉。

而以花蜜为生的雄性蚊子将会继续生存并把基因遗传下去。

随着时间推移,研究人员希望当地的蚊群规模将日渐缩小,与埃及伊蚊相关的疾病传播也将随之减少。

本周二(8月18日),这一计划得到了佛罗里达群岛蚊虫管控区的最终批准。

当地官员计划从明年起开展这项为期两年的灭蚊行动。

争议与批评声音

但该计划招致了众多的批评声音,包括一个有近24万人签名的网上请愿书。他们抨击Oxitec公司拿美国各州做这些变异蚊虫的试验场。

但根据Oxitec网站的信息,他们在巴西的野外试验结果得到了积极的反馈。

据报,该公司还计划从明年起在德克萨斯州展开转基因蚊子释放项目,目前已获得联邦政府的批准,但尚未获得州或地方政府的批准。

环保组织“地球之友”在谴责该项目的声明中表示,释放转基因蚊子将会给佛罗里达居民、当地环境和濒危物种带来不必要的风险,特别是在目前新冠疫情的大背景下。

但Oxitec的一名科学家对美联社表示,他们在过去几年其实已经向野外释放了10亿只转基因蚊子,并没有对环境和人类造成任

3   2020-10-11 18:02:44.41 谷子“刹车”基因调控叶片垂立机制弄清了 (点击量:3)

科技日报北京8月18日电 (记者瞿剑)北京时间18日凌晨,美国《国家科学院院刊》(PNAS)在线发表中国科学家团队有关谷子(即俗称的“小米”)株型调控机制的最新研究成果。该项研究阐释了谷子的DPY1作为油菜素内酯信号的“刹车”基因调控叶片披垂与直立的分子机制,为禾本科作物株型研究提供了新思路。

该研究由农科院作物科学研究所特色农作物优异种质资源发掘与创新利用创新团队和作物功能基因组研究创新团队,联合中国科学院遗传发育所农业资源研究中心共同完成。

“特色农作物”团队首席、中国农科院作科所研究员刁现民介绍,叶片是植物光合作用和有机物合成的主要器官,与叶片形态建成相关的株型直接影响作物的种植密度及产量。作物育种过程中追求叶型直立紧凑,从而有利于密植条件下的光能有效利用。叶片的紧凑指的是叶片和茎的夹角小,直立指的是叶片不下垂。油菜素内酯信号可以调节细胞伸长和分裂,其调控叶片和茎夹角的研究已有较多报道,但对其影响叶片直立与下垂遗传基础的研究仍欠缺,制约了禾谷类作物株型改良的效率和水平。

团队利用谷子叶片严重披垂的突变体dpy1,克隆了控制谷子叶片披垂的基因DPY1,该基因编码的DPY1蛋白激酶可以与油菜素内酯共受体通过胞内的激酶结构互作,竞争性地抑制油菜素内酯受体与共受体间的互作水平,从而抑制早期油菜素内酯信号的过度激活。DPY1作为“刹车”基因,通过以上过程促进细胞伸长和分裂,提高叶片的支撑力,从而使叶片趋向直立,且这种机制在玉米、水稻等禾本科作物中是保守和共享的。该研究揭示了禾谷类作物叶片坚实度的遗传学基础及其调控机制,为作物株型改良提供了新的基因资源及研究思路。同时,谷子及其野生种青狗尾草由于基因组小、高效转化、生育期短,且易于实验室培养操作,正在快速发展成为禾本科黍亚科和C4光合作用的模式植物。本研究将促进谷子模式植物体系的发展,也巩固了我国在谷子基础研究中的国际领先地位。

4   2020-10-11 20:58:24.913 三种RNA测序技术怎么选?Nature子刊综述讲明白了! (点击量:11)

在过去的十年中,RNA测序(RNA-seq)成为差异基因表达、mRNA差异剪接等研究场景不可或缺的重要手段。随着高通量测序技术的不断发展,RNA-seq的研究技术、分析方法也在不断发展。现在RNA-seq用于研究RNA相关的各方面生物学问题,包括单细胞基因表达、RNA翻译、RNA结构、空间转录学、全转录组、RNA-蛋白互作等。早前 Nature Reviews Genetics 发表了一篇综述,全面介绍了RNA-seq的发展。

转录本是非常多样和复杂的,绝大多数基因不符合“一基因一转录本”的模式,这些基因往往存在多种剪切形式。而基于短读长测序平台的转录组测序,首先把RNA打断成小片段进行测序,然后再通过生物信息的方法进行拼接。因此由于读长的限制,基于短读长测序平台的转录组在组装的过程中存在较多的嵌合体,并且不能准确地得到完整转录本的信息,从而对后面的表达量分析、可变剪接、基因融合等分析造成了较大的影响。因此,科研人员开发出不同的转录组测序技术,以期在不同的场景应用不同的技术来针对性地解决问题。

综述中通过比较RNA的短读长测序、长读长测序和直接测序这三种技术发现:短读长测序适合做基因定量,研究基因差异表达;长读长(cDNA)测序适合于研究转录本结构信息,如异构体、可变剪切、基因融合等;RNA直接测序可以研究转录本结构信息和修饰信息,但是对RNA样本要求会更高。

通过多项对比,文中指出,测序错误率高是长读长测序平台的一大劣势。PacBio测序平台错误类型属于随机错误,这种错误通常可以通过使用CCS(circular consensus sequence)增加测序深度来解决。在一个CCS读长中,cDNA和接头进行环化后,每个cDNA就可以被多次测序,这个cDNA在长读长序列中为subreads。这些subreads被组合后就可以产生一致的序列。分子测序的次数越多,最终的错误率就越低。CCS已经被证明可以将错误率降低到与短读长相当的水平,甚至更低。但是,更多的测序数据量读取了相同的分子,使得读取的唯一转录本变得更少,这又加剧了测序通量的问题。

现在PacBio平台测序长度不断增长,但是如果采用上述的CCS模式测序全长转录组,无法实现数据量增长得到的insert reads也增长,检测的转录本数量同时增长的效果。基于此,我们开发了多倍通量全长转录组,相较于常规全长转录组测序,相同的数据,可以获得5倍的有效数据,转录本检测数量翻倍!

多倍通量全长转录组在建库过程中将多条序列随机首尾相连,通过CCS测序,一条CCS read可得到多条转录本,充分利用PacBio平台的长读长并大幅提升Sequel测序全长reads的获得率。而且,多倍通量全长转录组包含了UMI技术,因此在享受高效数据利用的情况下还能进行基因的绝对定量。

RNA直接测序可以获得poly(A)的全长序列,我们的poly(A)全长转录组在获得全长转录组信息的同时,仍可以获得poly(A)的长度信息,并进行poly(A)的长度相关的信息分析。

5   2020-10-11 18:20:24.277 武汉植物园发现蟠桃果形形成遗传机理 (点击量:1)

蟠桃肉质细腻、甘甜味鲜、食用方便,深受人们喜爱。

蟠桃扁平果形受位于第6号染色体上S位点的单基因控制,但其遗传机理尚不清楚。中国科学院武汉植物园果树分子育种学科组科研人员在研究员韩月彭的带领下,研究发现S位点下游1.7 Mb大片段DNA的位置颠倒(染色体倒位)是导致桃扁平果形成的遗传基础(如图)。科研人员对727个桃品种进行基因分型,表明这种大片段的染色体倒位现象只出现在蟠桃中,但未在圆桃中发现。倒位的近端断点和远端断点分别包含三个碱基的缺失和两个碱基的插入,这暗示该染色体倒位是染色体双链断裂后经非同源末端连接(NHEJ)途径形成的错误连接。倒位近端断点上游3.1 Kb处有一个编码卵形家族蛋白基因PpOFP1,该基因在桃果实发育早期高水平表达会抑制果实的垂直伸长,导致扁平果形的形成,反之,低水平或不表达则形成圆形果。除PpOFP1外,促进果实伸长的PpTRM17等基因可能也参与桃果形发育形成一个基因调控网络。

此外,对桃野生近缘种S位点进行基因分型发现,染色体倒位现象只存在于新疆桃,但未在光核桃、甘肃桃和山桃等野生资源中发现,该结果证实蟠桃起源于中国,并为“新疆是栽培桃驯化起源地”这一推论提供证据。

相关研究成果以A 1.7-Mb chromosomal inversion downstream of a PpOFP1 gene is responsible for flat fruit shape in peach为题,发表在Plant Biotechnology Journal上,该研究对认知果树突变性状的形成具有理论意义,并为桃等果树的果形改良提供了工具。

6   2020-10-11 18:15:34.287 武汉植物园在仙人掌科植物--丝苇的叶绿体基因组解析和系统学研究取得进展 (点击量:2)

仙人掌科(Cactaceae)是美洲干温地区被子植物中最著名、种类最丰富的科之一。该科为单系,隶属于石竹目马齿苋亚目。在该目中,仙人掌科形成了一个单独的分支,其与土人参属、马齿苋属和Anacampseroteae科合称为ACPT分支。该分支的基部位置为土人参属,该属与由Anacampseroteae科、仙人掌科和马齿苋属组成的亚分支构成姐妹群。然而,该分支成员之间的系统学关系仍不清楚。仙人掌科植物几乎都是新大陆的特有种,只有附生植物丝苇(Rhipsalis baccifera(J.S.Muell.) Stearn)在新大陆和旧大陆都有自然分布。因此,本科中这个具有独特分布式样的物种吸引了许多研究人员的注意。然而,目前该物种在分子层面的研究还不充分,未见关于该物种叶绿体全基因组分析的报道。

中国科学院植物种质创新与特色农业重点实验室、武汉植物园东非植物区系与分类学科组首次对在肯尼亚Kasigau森林采集的丝苇完整叶绿体基因组进行了分析。 研究发现,丝苇的叶绿体基因组全长122,333 bp,包括一个大单拷贝区( LSC )( 81,459 bp ),一个小单拷贝区(SSC)( 23,531 bp )和两个均为8530 bp的反向重复区( IR )。该叶绿体基因组共包含110个基因,其中有73个蛋白质编码基因,31个tRNA基因,4个rRNA基因和2个假基因(图1)。与8种马齿苋亚目ACPT分支的物种进行比较分析,结果表明,丝苇基因组有较多的重排,在其LSC区域反常地出现了19个基因反转,就碱基数目而言,这是首次在石竹目下发现如此大规模的结构变异(图2)。在仙人掌亚科中,SSC区域中的倒位很常见,在丝苇和 Carnegiea gigantea的rbcL-trnM区域观察到了另一长6 kb的基因倒位。

该研究选取了36个石竹目下的物种,以Genlisea aurea和Tanaecium tetragonolobum为外类群,基于叶绿体全基因组数据开展了系统发育分析,结果支持ACPT分支的各科均为单系。在系统发育树中,丝苇位于仙人掌科这一分支的基部。叶绿体基因的大量的重排表明丝苇在进化过程中发生过多次突变事件。该研究为今后关于丝苇和马齿苋亚目的进化研究提供了重要的数据(图3)。

研究成果以“Complete Chloroplast Genome of Rhipsalis baccifera, the only Cactus with Natural Distribution in the Old World: Genome Rearrangement, Intron Gain and Loss, and Implications for Phylogenetic Studies” 为题,近期在国际学术期刊《Plants》上发表。这项工作得到了国家自然科学基金和中科院中-非联合研究中心的支持。该学科组的肯尼亚籍学生Millicent Akinyi Oulo和中国籍学生杨家鑫、董翔为论文共同第一作者,胡光万研究员为通讯作者,学科组多名学生参与此项研究。