為大豆育種帶來(lái)概念性突破，科學(xué)家研發(fā)大豆基因編輯技術(shù)，可同步提高大豆產(chǎn)量與蛋白含量

戴著(zhù)草編帽子、汗水浸濕劉海、身旁是山腳下的豆田......

如果不是這副眼鏡增加了幾分書(shū)生氣，似乎這看起來(lái)應該是一位農民大哥的田間記錄照。但其實(shí)，這是一名科學(xué)家——來(lái)自廣州大學(xué)的關(guān)躍峰教授。

圖 | 關(guān)躍峰于 2023 年夏天在福建洋中的試驗田（來(lái)源：關(guān)躍峰關(guān)躍）

此前，他和合作者在這片豆田忙活了整整三年，終于通過(guò)基因編輯技術(shù)成功優(yōu)化了大豆的生物固氮能力，并將這項技術(shù)形象地比喻為“育種界的 5G”。

通過(guò)此，他們找到了既能多長(cháng)根瘤、少施化肥、又能增加產(chǎn)量的方法，將大豆產(chǎn)量提升 10-20%，蛋白含量增加 1-2 個(gè)百分點(diǎn)，借此為大豆育種帶來(lái)了概念性突破。

（來(lái)源：Nature Plants）

據介紹，基因編輯作物的應用完全遵照我國農業(yè)部 2022 年發(fā)布的《農業(yè)用基因編輯植物安全評價(jià)指南（試行）》規定。

相比轉基因，基因編輯作物能夠大大簡(jiǎn)化獲取生物安全證書(shū)的程序，在時(shí)間流程上可以縮短 1-2 年。

目前，課題組正在東北、黃淮等主栽區域的大豆品種中開(kāi)展基因編輯育種，希望能夠提高國內大豆品種的單產(chǎn)水平、以及提高生物固氮的能力，減少農業(yè)化肥的使用。

未來(lái)，也可以將該技術(shù)轉移到紫花苜蓿、花生等豆科作物中。

不過(guò)，需要注意的是，本次研究尚處于試驗階段，種植面積比較小，最大面積僅有 100 多平方米。因此，大面積種植時(shí)的增產(chǎn)效果還有待驗證。

提升大豆產(chǎn)量重要性何在？

據介紹，我國每年消耗大豆的總量大約在 1.2 億噸，平均每人每天要消耗半斤大豆，其中超過(guò) 80% 依靠進(jìn)口。

進(jìn)口大豆并不用于做豆腐豆漿，而是先榨油、剩下的豆粕做飼料。豆粕飼料是優(yōu)質(zhì)蛋白來(lái)源，對于肉蛋奶畜牧生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是必不可少的。

目前，中國人口占據世界人口的 19%，過(guò)去 40 年經(jīng)濟的高速發(fā)展，讓老百姓實(shí)現肉蛋奶自由，而飼料的消耗也水漲船高。

我們國家的耕地資源有限，耕地僅占世界耕地的 8% 左右，這就需要通過(guò)進(jìn)口糧食來(lái)彌補。

大豆之所以成為最主要的進(jìn)口糧食，重要原因就是它單位面積的產(chǎn)量低，國內種植效益差。

比如，大豆每畝地產(chǎn)量?jì)H為玉米的五分之一，收入約為玉米一半，因此農民更愿意種玉米，導致大豆種植就不足。

如能提高大豆產(chǎn)量和品質(zhì)的生物育種技術(shù)，就能更快推廣應用，幫助提高大豆單產(chǎn)水平和農民種植效益，也有助于提高大豆自給率。

將“諾獎技術(shù)”基因編輯成功用于大豆增產(chǎn)

在生物醫藥和生物育種領(lǐng)域，基因編輯是一項革命性技術(shù)。該技術(shù)于 2012 年問(wèn)世，2020 年相關(guān)學(xué)者獲得了諾貝爾獎。

一直以來(lái)，該課題組致力于針對大豆開(kāi)發(fā)基因編輯育種技術(shù)，以及挖掘創(chuàng )新型基因編輯性狀，旨在實(shí)現“高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高附加值、環(huán)境友好”的基因編輯大豆育種。

具體到本次研究，他們聚焦于解決這樣一個(gè)問(wèn)題：即如何通過(guò)調控大豆結瘤固氮來(lái)提高大豆產(chǎn)量。

大豆能通過(guò)結瘤來(lái)固定空氣氮素，是一種環(huán)境友好型作物。

然而，在傳統育種經(jīng)驗之中，人們發(fā)現結瘤過(guò)多會(huì )減少產(chǎn)量，因此普遍忽視了針對大豆生物固氮開(kāi)展遺傳改良。

基于此，他們啟動(dòng)了本次結合室內試驗和室外耕田的基因編輯育種研究。

其研究歷程大致可以分為三個(gè)階段：

首先，他們針對大豆開(kāi)發(fā)了高效的基因編輯技術(shù)，從而能對目標基因進(jìn)行編輯，這就像是造了一把鋒利的“手術(shù)刀”。

自 2016 年起，課題組開(kāi)始開(kāi)始“磨刀”?！澳壳拔覀兪侨虼蠖够蚓庉嬵I(lǐng)域技術(shù)最強的科研團隊之一?！毖芯咳藛T表示。

有了領(lǐng)先的技術(shù)做保障，他們就能根據自己想法做“基因手術(shù)”。

其次，則要篩選有價(jià)值的基因、并要開(kāi)展基因編輯，拿到突變的大豆之后，就要對大豆的不同基因“動(dòng)手術(shù)”。

自從該團隊具備大豆基因編輯能力后，就一直在做這項工作，并積累了各種大豆突變體。

利用這些突變體他們開(kāi)展了基因功能的基礎研究，同時(shí)也在觀(guān)察大豆的產(chǎn)量表現，從而判斷它們的育種價(jià)值。

此前，雖然大家都知道大豆根瘤的生物固氮能減少化肥使用，對環(huán)境也比較友好，但是人們過(guò)去并不太希望增加大豆根瘤。因為根瘤會(huì )消耗碳源，而且根瘤太多會(huì )減少大豆產(chǎn)量。

因此，課題組設想：如能適當增加一些根瘤，但又不至于增加太多，可能會(huì )有比較好的效果。

經(jīng)過(guò)不同基因組合的篩選，他們發(fā)現上述方法果然能增加產(chǎn)量。

而當采用 RIC 基因編輯組合的時(shí)候，其根瘤僅有適度的增加，從而能在碳氮平衡的基礎之上實(shí)現優(yōu)質(zhì)增產(chǎn)。

隨后，他們篩選和評價(jià)了不同基因編輯大豆的產(chǎn)量表現。并針對它的生理特性加以分析，比如為何能增產(chǎn)？

“這一步驟就好比針對‘手術(shù)預后’開(kāi)展跟蹤評價(jià)一樣?！毖芯咳藛T表示。

但是，僅僅是這一步驟就耗時(shí)了三年之久。期間，他們每年都在實(shí)驗田里測試大豆產(chǎn)量表現。

結果也很令人驚喜：RIC 基因編輯不僅可以增加產(chǎn)量，還能提高蛋白質(zhì)含量。

“其實(shí)這在大豆育種中是很困難的事，因為從過(guò)去的育種經(jīng)驗來(lái)看，增加產(chǎn)量往往會(huì )降低蛋白質(zhì)，反之亦然。美國甚至有新聞?wù)J為‘高產(chǎn)高蛋白大豆是育種的圣杯，但短期不大可能實(shí)現’?！毖芯咳藛T表示。

而該團隊通過(guò)優(yōu)化地下的根瘤數量，成功提高了大豆的種子產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量。

日前，相關(guān)論文以《基因優(yōu)化大豆結瘤提高產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量》（Genetically optimizing soybean nodulation improves yield and protein content）為題發(fā)在 Nature Plants（IF 18）。

福建農林大學(xué)鐘祥斌副教授、王杰副教授是共同一作，廣州大學(xué)的關(guān)躍峰教授和孔凡江教授、以及中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng )新中心王二濤研究員擔任共同通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Nature Plants）

科學(xué)家版本的“草盛豆苗稀”

不過(guò)，關(guān)躍峰坦言：“我是做分子生物學(xué)出身，做大豆育種屬于半路出家。我們在實(shí)驗室里雖然得心應手，但下田干活就是小白了?！?/span>

剛開(kāi)始在大田里種植大豆時(shí)，田間管理不到位，雜草比大豆還茂密。由于過(guò)了除草劑噴施的窗口期，只能人工除草。

于是實(shí)驗室全員集體出動(dòng)，大家一起在田間除草，真實(shí)上演“鋤禾日當午，汗滴禾下土”。后來(lái)，“種好田”也成為實(shí)驗室的重點(diǎn)工作之一。

“這個(gè)經(jīng)歷讓我對農業(yè)之難有了更直觀(guān)的認識，也開(kāi)始理解提高農業(yè)勞動(dòng)效率和降低種植成本對于農業(yè)的重要性?！标P(guān)躍峰說(shuō)。

比如對于生物育種來(lái)說(shuō)，僅僅提高大豆產(chǎn)量還遠遠不夠，還需要圍繞抗除草劑、抗病蟲(chóng)害等性狀，才能滿(mǎn)足現代種植的需求。

接下來(lái)，課題組首先將針對 RIC 基因編輯技術(shù)開(kāi)展更大規模的育種應用，爭取早日實(shí)現推廣。

其次他們將挖掘增產(chǎn)效果更好的基因組合，讓技術(shù)變得更加完善。

另外，他們將利用多重基因編輯技術(shù)，把優(yōu)化結瘤 RIC 基因與其他高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)基因編輯性狀聚合在一起，力爭創(chuàng )制產(chǎn)量更高、品質(zhì)更好的“超級大豆”。

參考資料：

1.Zhong, X., Wang, J., Shi, X.et al. Genetically optimizing soybean nodulation improves yield and protein content. Nat. Plants 10, 736–742 (2024). https://doi.org/10.1038/s41477-024-01696-x

排版：初嘉實(shí)