从基因中解锁种子的秘密(科创正青春)

发布时间:2024-04-18 13:04:17 来源: sp20240418

  赖锦盛在玉米地进行研究工作。   受访者供图

  粮安天下,种业为“芯”。种业作为农业的“芯片”,对产业的发展至关重要。

  玉米是中国第一大粮食作物,年产量占全国粮食总产量约四成。多年来,国家玉米改良中心主任、中国农业大学农学院作物基因组与生物信息学系教授赖锦盛深耕种业研究,带领团队面向玉米这个重要农作物开展研究,在基因测序、基因编辑和生物育种等领域取得了多个“从零到一”的突破。

  

  补全基因组测序“空白”

  本世纪初,被誉为生命科学“登月计划”的人类基因组草图公布,点燃了基因组学的“第一把火”。随后,玉米等多个物种的参考基因组序列草图相继公布。然而,由于基因组的高度复杂性,全球科研人员一直没能实现对复杂生物的全基因组探索。

  科学家为什么要探索玉米等物种的基因组?赖锦盛介绍,种子在农业产业链处于顶端位置,也是农业产业中最能体现科技含量的领域。基因组测序作为重要的基础工作,能够为作物遗传改良提供丰富的遗传信息,推动种子培育技术创新。

  1996年,赖锦盛赴美国新泽西州立大学从事博士后工作,师从美国科学院院士乔基姆·梅辛教授。

  “他是全球分子生物学和基因组测序的奠基人物,在美国玉米基因组测序和其他物种基因组学研究领域做了大量开创性工作。”在导师的启发下,赖锦盛回国后继续开展玉米基因组学研究。

  2006年,赖锦盛来到中国农业大学任教。2009年,他主持的“玉米基因组学与分子育种”课题开启;今年6月,赖锦盛团队在国际期刊《自然·遗传学》上发表了论文《玉米全基因组所有染色体端粒到端粒完整无间隙组装结果》,实现了在所有复杂动植物基因组中首次真正意义上的全基因组完整无间隙组装。

  这篇论文被誉为基因组组装和基因组学研究领域“里程碑式”突破,研究成果补全了国际玉米基因组草图自2009年公布以来尚存的几万个“空白”区域,攻克了复杂动植物基因组组装的“最后一道难题”。

  “登上月球之前,人类总有一个‘月球梦’,玉米基因组测序就是我的‘月球梦’,这是一个科研人员本能的好奇。”赖锦盛说。

  2019年,乔基姆·梅辛猝然离世,未能见到这项成果面世,这让赖锦盛颇为遗憾。为此,他在论文的致谢部分特别标注:谨以这项研究成果纪念导师。

  突破基因编辑“卡脖子”难题

  作为生物育种领域的颠覆性技术,基因编辑技术在全球范围内得到广泛关注和应用。赖锦盛说,用“基因剪刀”切割不利的基因,去除不良性状——这是基因编辑技术的一项基本应用。

  赖锦盛介绍,所谓“基因剪刀”,其实是能够精准剪切生物体遗传物质DNA的“基因编辑核酸酶Cas蛋白”,通过对目标基因进行靶向剪切,实现对生物基因组的精准微调,从而加速培养出具备高产、优质、抗逆等优秀农艺性状的作物。

  2012年,法国科学家埃玛纽埃尔·沙尔庞捷和美国科学家珍妮弗·杜德纳共同开发了Cas9基因编辑技术,并于2020年获得了诺贝尔化学奖。随后,科学家进一步开发了Cas12a等基因编辑技术。但长期以来,这些基因编辑技术的核心专利,也就是“编辑器”,被少数国家垄断。为了推动实现“种业科技自立自强、种源自主可控”的目标,2015年起,赖锦盛率领团队投入“基因剪刀”的研发工作。

  赖锦盛将研发“基因剪刀”的过程概括为“两步走”:先是在数量众多的微生物宏基因组中寻找有潜力切割基因的“剪刀”,然后用实验验证哪一把“剪刀”能够实现精准切割。

  “研发工作无异于‘大海捞针’。”赖锦盛说,早期研究基因组学的经历帮助他在基因组大数据挖掘技术上取得突破。2021年,赖锦盛团队成功研发出两把属于中国的“基因剪刀”——“基因编辑新型底盘核酸酶Cas12i和Cas12j”,弥补了中国在基因编辑底盘工具领域的技术空白,打破了国外的技术垄断。

  目前,Cas12i和Cas12j已获得中国内地、中国香港地区专利授权和日本专利授权,但赖锦盛仍不满足:“Cas12i和Cas12j的编辑效率还有一定提升空间,对应的衍生技术体系和应用生态也尚待完善。此外,还需要研发更多新的基因编辑底盘工具,以满足农业和医疗领域基因编辑多样性和个性化的需求。”他说。

  “定制”优质转基因作物

  今年中央一号文件提出,要加快玉米大豆生物育种产业化步伐,有序扩大试点范围,规范种植管理。

  如何实现育种产业化?赖锦盛将科学研究和产业化看作“相辅相成”的关系:“如果生物育种产业化跟不上,原始创新就会严重受阻;一旦产业化发展步入‘快车道’,不仅能借由市场检验技术成果,还能获得更多经费来反哺科研,进一步提升我国种业研发能力和水平。”

  自2021年转基因玉米大豆产业化试点工作启动以来,赖锦盛就持续关注生物育种产业化工作,他也通过研发转基因玉米,身体力行地为这项工作提供技术支撑。

  “我和团队研发的抗虫玉米ND207转化体、耐除草剂玉米CC-2转化体已经相继获批国家生产应用安全证书,在产业化试验种植中,已选育出21个玉米新品种,其中2个成为我国首批转基因产业化试点推广种植品种。”赖锦盛说。

  赖锦盛介绍,虽然中国生物育种已取得一定进展,但目前获批安全证书的转基因产品目标性状相对单一,集中在抗虫和耐除草剂,而产业化较早的美国等国家的产品还有抗旱、高产等多种类型。

  “未来几年,转基因、基因编辑作物产业化大有可为。我和团队会面向产业需求,针对产业发展瓶颈继续攻克科技难关,以基础及应用基础研究为源头供给,持续推动玉米等作物生物育种产品的更新迭代。”赖锦盛说。

  

  中国科协科学技术传播中心与本报合作推出

(责编:郝孟佳、李昉)