模仿基因揭示了节约用水的新方法
大米是世界上一半以上人口的主食。 那么我们如何 随着全球气候的加剧和干旱变得更加频繁，如何保护它？ 这是 IGI 的可持续农业总监 Brian Staskawicz 试图回答的问题。 在一个 新文 从他的实验室本周发表在 植物生理学，第一作者和 Staskawicz 实验室成员 Nicholas Karavolias 和研究团队的其他成员使用 CRISPR 开辟耐旱稻的新途径。
就像我们的皮肤上有毛孔一样，水稻和其他植物的叶子也有称为“气孔”的微小毛孔。 这个名字来自希腊语中的“嘴巴”一词，是对它们的外观和根据环境触发因素打开和关闭的能力的认可。
气孔让植物吸收二氧化碳并释放我们呼吸的氧气。 植物也利用气孔来控制温度。 在类似于人类出汗的过程中，植物通过气孔释放水分。 蒸发过程帮助它们降低温度。
这就引出了中心思想：由于水稻和其他植物通过气孔失去水分，我们能否通过减少气孔总数来提高它们的用水效率和耐旱性？
一段时间以来人们都知道 基因 斯托马根 （“气孔发生器”的缩写）对于气孔的发育至关重要。 以前，研究人员通过禁用或“敲除”气孔来减少气孔的数量 斯托马根 水稻中的基因。 这导致气孔数量减少约 80%。 “文献能够向我们表明，减少气孔数量可以提高用水效率，”Karavolias 说，“但要付出代价。”
事实上，如此多气孔的丧失也大大降低了植物进行二氧化碳和氧气交换的能力，而二氧化碳和氧气可以驱动光合作用、植物生长和植物产量。 它还可能降低植物有效调节温度的能力。 能否有另一种提高用水效率的方法？
植物包含多个相同或非常相似基因的拷贝并不少见。 在大米中，有 斯托马根 基因称为 洛桑联邦理工学院10, 它具有几乎相同的遗传密码。 Karavolias 和 Staskawicz 实验室团队决定调查是否 洛桑联邦理工学院10 可能持有解决方案。
使用 CRISPR，Karavolias 及其同事能够比较 斯托马根 和 洛桑联邦理工学院10。 如 斯托马根, 洛桑联邦理工学院10 促进水稻叶片气孔的发育。 但它的效果更温和——击倒 洛桑联邦理工学院10 减少气孔的数量，但不如淘汰显着 斯托马根. 有效， 基因编辑 洛桑联邦理工学院10 允许微调气孔的数量。
“我们手动计算气孔，”Karavolias 解释说，“我们计算气孔的方式实际上非常愚蠢。 你用透明的指甲油在叶子的下面涂上油漆，这会给叶子留下美丽的印象，甚至是微观结构。 在等待它变干的同时，您还可以自己涂指甲油。 这很重要，它在方法中！ 然后你用双面胶带去除指甲油印记，然后你可以用显微镜成像。”
接下来，Karavolias 及其同事着手通过在 IGI 的温室中进行研究来评估对水稻植株的生理影响。 两种淘汰赛都显示出类似的节水增长。 但是什么气体交换、温度调节和产量呢？
该团队与加州大学伯克利分校的 Kris Niyogi 实验室合作，首先研究了气体交换和光合作用。
“我们知道气孔对于维持水分、蒸腾水分和节水有多么重要，但它们也 CO 的重要孔2 进来，这样植物就可以进行光合作用，”Nyogi 实验室的博士后兼该论文的合著者 Dhruv Patel-Tupper 说。 “我参加这个项目是为了看看光合作用发生了什么。 它受到损害了吗？ 我们如何将它与我们感兴趣的其他特征（如用水效率）协调起来？ 我们使用了一种夹住一小部分叶子的装置，并制作了一个完美的温度和湿度控制室，以量化它们在不同光照条件下进行光合作用的情况。”
在 Patel-Tupper 的实验中， 斯托马根 基因敲除对气体交换产生负面影响，但植物之间的气体交换没有差异 洛桑联邦理工学院10 被淘汰和没有基因编辑的植物。 同样，该团队的其他实验表明 斯托马根 基因敲除在某些情况下难以调节叶片温度， 洛桑联邦理工学院10 淘汰赛 能够在每个测试条件下调节它们的温度以及未经编辑的植物。 最后，在水稻品系之间没有观察到产量差异。
“水稻是世界上最重要的养活人类的作物之一。 它也是一个很好的实验室研究模型系统，因为它很容易转化和基因编辑。 到目前为止，我们的结果非常令人兴奋，因为温室测试表明气孔密度降低，但光合能力保持不变，”Staskawicz 说。 “然而，真正的证据 翻译 正在让它在现场工作。 在农业领域，田间试验等同于临床试验。”
该项目的后续步骤已经在进行中：在田间试验中测试基因编辑对水稻植株的影响。 哥伦比亚国际热带农业中心的研究人员已经开始种植 编辑 植物。 ICTA 是 CGIAR 网络的一部分。 未来，如果田间试验取得积极成果，CGIAR 可以帮助在全球范围内分发耐旱种子。 虽然这些实验是在通常用于研究而不是 与食品相比，这些编辑可以直接转移到水稻作物品种和其他具有相似基因重复的作物上。
Staskawicz 实验室团队也在关注大米以外的问题 基因组，由研究助理和合著者 Kyungyong Seong 进行生物信息学分析。
“你会在其他植物中看到相同基因的重复，比如生菜、胡萝卜和向日葵，”Karavolias 说。 “因此，我们可以将这一研究方向推广到其他作物，作为微调气孔密度的一种方式。 这也是很好的证据，表明这些重复基因也是其他性状的主要基因编辑目标。”
