分类: 植物育种

新植物育种技术

前阵子vivi推荐了一篇文章,标题起的是荡气回肠"Precision genetic modifications: a new era in molecular biology and crop improvement",其实就是介绍最近的一些基因组定点修饰工具,比如ZFP/ZFNs,TALE/TALENs以及最近被各种灌水的CRISPRR/Cas。。文章本身没啥好说的,把技术讲的晦涩难懂,不过里面一个词倒是挺吸引我:NPBT(new plant breeding technologies,新植物育种技术),顺着Reference找到篇2012年发表在Nature biotechnologies的综述"Deployment of new biotechnologies in plant breeding",作为一个目前对Breeder这个职业充满向往又及其缺乏专业知识的菜鸟一口气就读完了。

文章作者是欧洲新技术研究委员会还有啥欧洲健康和消费者保护委员的,除了简单介绍了技术文章本身更像一个调研报告,介绍了7种新植物育种技术并从基础理论研究(论文发表)以及专利角度讲了研究几个和公司在这些新技术发展中的位置。

先列举下这些新技术:

• ZFN technology(zinc-finger nuclease锌指核酶技术),ZNF可以合成限制性内切酶,可以根据设计切割DNA的特定序列,编码ZFN的基因和一段引导插入的序列通过表达载体转入植物细胞,之后ZFNs会制造DSB(double-strand break,双链断裂)切割特定位点,这个DSB又会刺激DNA的修复机制,导致同源重组或者DNA插入。ZFN主要通过三种技术:ZFN-1(只打断不修复),ZFN-2(通过一段特殊的修复模板,引入SNPs)和ZFN-3(插入特定序列)。

• ODM (Oligonucleotide directed mutagenesis,寡核苷酸引导的突变),通过化学合成的寡核苷酸和目标序列同源,并通过改变某个核苷酸,在DNA修复时引入突变。

• Cisgenesis和intragenesis,通过转化技术,将相同物种或者杂交亲和物种的基因转入目标植物。对于Cisgenesis,转入该吴中自己的DNA序列,侧翼序列一级自己的启动子终止子。对于intragenesis,引入杂交亲和物种的基因以及调控元件,并且也可以使用基因沉默技术,比如RNA干涉。

• RNA介导的DNA甲基化(RNA-dependent DNA methylation, RdDM),RdDM技术通过时启动子序列甲基化,引起转录阶段的基因沉默。这种技术可以使育种者在不引入外源基因,以及不改变植物自身核苷酸的情况下通过表观遗传学改变基因表达。

• 嫁接(Grafting),将非转基因的树枝(Scion)嫁接到转基因的砧木(Rootstock),这样果实中将不含有转基因成分。而砧木可以通过转基因增强根部能力以及引入土传疾病的抗性达到增产效果。这种技术同样可以利用RNA干涉技术,在砧木里的small RNA可以转移到嫁接植物里并调控基因表达。

• 反向育种(Reverse breeding),通过转基因沉默掉减数分裂中重组中起到作用的基因,得到发生过重组的纯和单倍体植物。再通过多倍化技术形成双单倍体(Double haploid)植物。之后再选择不含有转基因成分的后代。

• 农杆菌侵染(Agro-infiltration),有三种类型:1、'Sensu sticto',在叶子里瞬时表达,没有外源片段整合进金银组; 2、通过插入目标片段的全长的病毒载体,让目标基因在整个植株内表达;3、子房沾取法,使目标基因整合进后代基因组。

文章的后半部分像是一份调研报告,考察了NPBT的文章发表,专利申请和应用等。

NPBT的文章发表机构排名

读到这里还骄傲了下,在NPBT领域发表文章最多的竟然是我们Wageningen University,尤其是cisgenesis/intragenesis,就是我对门的Evert老爷子提出来的(不过我个人感觉cisgenesis这概念其实只是忽悠老百姓。。);排名第二的是加州河边分校(University of California, Riversie),农业方面一向很强;接下来是在英国Norwich的John Inners Centre,Sainsbury就在这里,这阵子很火的抗晚疫病的转基因土豆就是这里搞出来的;第四名是Simplot公司,麦当劳等快餐业所用的土豆基本就是这家公司供应的,没想到的是公司还会发表这么多学术论文,不过这家公司看来只做cisgenesis/intragenesis。

NPBT主要应用的作物和性状

大部分性状还集中在抗病性和除草剂抗性上,而作物除了主粮作物玉米,水稻,土豆等还包括了很多蔬菜水果和经济作物,比如烟草,葡萄,西瓜,黄瓜等等……

植物育种技术商业化的步骤

十大NPBT专利申请机构

专利占有方面果然被各大公司瓜分了,不过排名第一的竟然是Sangomo Biosciences这种综合性的公司;第二名是陶氏益农(Dow Agrosciences);之后是美国的Delaware大学;接下来又是美国做土豆的Simplot公司……Keygene就在Wageningen University里面,不过和University系统是分开的。

文章的最后展望了下新植物育种技术的未来,还对检测技术的滞后表示了下担忧,目前大部分新植物育种技术虽然有别于传统的转基因技术,但是至少在欧洲,法律上还是和转基因一样严格的。而有些技术又不像转基因一样可以检测,比如利用ZFN技术引入的Deletion,就和自然产生的缺失突变一样,如何检测?

这篇文章发表之后,2013年突然又把CRIPR/Cas这种利用small RNA介导的基因组定点修饰技术引入到了植物里,其成本比ZFN低出很多大有取代之势,不过目前还没有完全解决“脱靶”问题。

Reference

1 Lusser M, Parisi C, Plan D, Rodríguez-Cerezo E (2012) Deployment of new biotechnologies in plant breeding. Nature Biotechnology 30: 231–239. doi:10.1038/nbt.2142.

2 Belhaj K, Chaparro-Garcia A, Kamoun S, Nekrasov V (2013) Plant genome editing made easy: targeted mutagenesis in model and crop plants using the CRISPR/Cas system. Plant Methods 9: 1–1. doi:10.1186/1746-4811-9-39.