科学家寻求更好方法培育定制化作物

通过使用更好的基因编辑技术，可以提高作物产量和水分利用效率。资料来源:法新社/盖蒂

当来自世界各地的作物工程师最近齐聚伦敦时，他们的研究目标相当雄心勃勃:种植更高效用水的水稻、需要更少肥料的谷物，以及以增强光合作用为动力的超高产木薯。

作物工程联盟研讨会的150名与会者带来了各种想法和分子工具。由于合成生物学和自动化技术的发展，几个项目拥有1000多种修饰基因和其他分子工具，并准备在研究人员选择的作物中进行测试。然而，这正是他们经常碰壁的地方。用定制的基因组培养植物的过时方法，即所谓的遗传转化过程，是麻烦的、不可靠的和耗时的。

当被问及这一领域存在哪些障碍时，诺福克约翰·伊恩中心的植物发育生物学家吉尔斯·奥德罗伊德给出了现成的答案:“最大的问题是改善植物遗传转化。”

“我们都面临交通问题。”明尼苏达大学的植物生物学家丹·沃伊塔斯(Dan Voytas)说，“我们有强大的试剂，但是如何将它们输送到细胞中呢？”

引发广泛讨论的是一个持续了几十年的难题:很难修改植物基因组，然后用一些转化的细胞来再生全新的作物。像CRISPR-Cas9这样的基因组编辑技术向人们展示了复杂作物工程的希望，这曾经是不可想象的。然而，当研究人员遇到最初的障碍时，现实让他们更加沮丧。

国家科学基金会(NSF)意识到了这一挫折，并于9月28日宣布将资助更好的转化方法的研究。这是一个新的植物基因组研究项目的四个重点之一。整个项目将获得总计1500万美元的资助。

"每个人都会同意这确实是基因组计划的瓶颈."尼尔·斯图尔特是田纳西大学的植物生物学家，也是去年11月美国国家科学基金会植物转化研讨会的共同组织者，他说。

利用能给植物基因组添加基因的细菌，一些植物，如拟南芥，植物界中的一种“白老鼠”，可以很容易地被转化。研究人员将他们想要测试的基因插入土壤杆菌，然后“欺骗”细菌感染植物生殖细胞。当作物随后产生后代时，其中一些会表达新的基因。

然而，这并不适用于许多作物，土壤杆菌的使用将引发*机构的额外审查，如美国农业部，因为它被认为是一种植物害虫。另一种选择是，研究人员可以使用“基因枪”向植物细胞发射涂有脱氧核糖核酸的金珠。随后，这些细胞被“浸泡”在生长激素中，并“被骗”去繁殖完整的植物。一些植物，如玉米，很容易屈服于这种方法，而其他作物，如小麦和高粱，则不能。

对于一些“顽固”的作物，需要数月的艰苦细胞培养(优化生长条件和激素浓度)来再生全新的植物。成功所需的条件不仅对每种作物来说是不同的，对同一种植物来说也是不同的。

康纳大学的乔伊斯·范·埃克是这个领域的专家。在她看来，植物转化方面的专家很少。她在伦敦研讨会上说:“我们所做的事涉及很多艺术。很难找到受过这种训练的专家。”。再加上缺乏新方法的资金，研究人员不得不依赖已经使用了几十年的旧技术。

然而，随着寻找替代品的热潮升温，这一切都可能改变。斯图尔特和他的合作者已经开发出了机器人，这种机器人可以比用手更快更准确地完成原生质体转化。这种方法使用酶来消化细胞壁，从而使研究人员更容易引入新的基因。然而，再生完整植物的问题仍然存在。研究人员在没有机器人的情况下使用类似的方法，在包括莴苣和水稻在内的多种植物中编辑CRISPR-Cas9基因。

细胞培养步骤仍然很困难。斯图尔特说，他实验室里的一个人花了两年时间改造一根用于生物燃料研究的高秸秆，但最终以失败告终。然而，酶成本的下降使得研究人员能够进行更多的实验，而机器人技术可以提高生产率。斯图尔特如此迷恋他的创作，以至于他为此写了一首歌。“现在，它是我们的孩子。”斯图尔特说。(宗华编译)

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