Science：利用分子剪刀改变植物染色体的数量

更高的产量、更强的抗气候变化和抗病能力——作物面临的要求日益增长。为了应对这些挑战，卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 的研究人员正在开发新的基因工程方法。他们与德国和捷克的其他研究人员合作，首次成功地利用 CRISPR/Cas 分子剪刀，以靶向方式改变了 拟南芥 模式生物的染色体数目，且未对植物生长产生任何不利影响。这一发现为植物育种和农业开辟了新的前景。相关研究成果已发表在《科学》杂志上。(DOI:  10.1126/science.adz8505 ) 

近年来，  CRISPR/Cas分子剪刀（CRISPR是 Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats的缩写）使卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的研究人员不仅能够改变基因，还能改变染色体。这样一来，就可以有针对性地组合植物中所需的性状或消除不需要的性状。“现在，我们取得了一项新的突破：我们成功地利用基因剪刀改变了拟南芥（ 也称‘拟南芥’）模式生物的染色体数目，”KIT约瑟夫·戈特利布·科尔罗伊特植物科学研究所（JKIP）的霍尔格·普赫塔教授说道，他是该领域的先驱。“染色体的重要性在于，它们作为包含多个基因的单元，这些基因是共同遗传的。”  

 染色体是生物细胞核内微小的丝状结构。它们包含基因，基因携带遗传信息，例如与疾病的发生发展或控制相关的信息。每个生物都拥有特定数量的染色体对，这些染色体对是从父母双方遗传而来的。例如，人类有23对染色体，即总共46条染色体；番茄有12对染色体，即24条染色体；而西洋菜只有5对染色体，也就是10条染色体。染色体数量的偏差通常会产生不利影响。“此前，染色体数量的变化如何影响植物尚不清楚，”普赫塔说，“令人惊讶的是，我们的实验表明，染色体数量的改变不会对植物的生长发育产生不利影响。”  

基因组合的新可能性

为了减少染色体的数量，研究人员有意地将一条染色体的两条臂分别转移到另一条染色体的两条臂上。这样，他们成功地将两条染色体融合为一条。由于植物细胞中的相同染色体总是成对存在，因此融合后的植物只有八条染色体，而不是十条——也就是四对，而不是五对。“在进化过程中，新植物物种的出现通常伴随着染色体数量的改变，”来自约翰内斯堡高等研究院（JKIP）的米歇尔·伦斯皮斯博士（论文第一作者）解释说，“现在，我们首次在实验室环境中成功重现了这一过程。这对于我们更好地理解遗传物质如何改变具有重要意义。”随后，由加特斯莱本莱布尼茨植物遗传与作物研究所（IPK）的安德烈亚斯·侯本教授领导的团队利用显微镜证实了这些结构变化。 

这项研究表明，对染色体结构的特定改造也能控制基因在繁殖过程中的重组方式。“这对植物育种尤其重要，因为它为更有针对性地遗传特定性状提供了可能”。 

染色体数目改变影响杂交能力 

由捷克布尔诺中欧理工学院的伊日·法伊库斯教授领导的研究小组对染色体数目对植物生长的影响进行了研究。研究人员发现，拥有八条染色体的植物与拥有十条染色体的植物表现出相同的生长行为。

虽然这些植物外观上没有任何差异，但它们与正常植物杂交的后代种子数量却明显减少。“原因是，经过改造的染色体在繁殖过程中无法与未改造的染色体正确配对。这会导致生殖细胞缺陷，从而降低生育力，”普赫塔解释说，“然而，它们彼此配对的生育力却不受影响。”

从长远来看，这些改造方法有可能用于在基因上将植物与其野生近缘种隔离，从而防止不必要的异交。“我们的研究结果表明，植物基因组在进行大规模结构改变时具有很强的灵活性，”普赫塔说道。“我们的方法为深入了解基因组的发育及其潜在的生物工程应用提供了一个独特的机会。”