為大豆育種帶來概念性突破，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生氣，似乎這看起來應(yīng)該是一位農(nóng)民大哥的田間記錄照。但其實(shí)，這是一名科學(xué)家——來自廣州大學(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(yàn)田（來源：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(xiàng)技術(shù)形象地比喻為“育種界的 5G”。

通過此，他們找到了既能多長(zhǎng)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了概念性突破。

（來源：Nature Plants）

據(jù)介紹，基因編輯作物的應(yīng)用完全遵照我國(guó)農(nóng)業(yè)部 2022 年發(fā)布的《農(nóng)業(yè)用基因編輯植物安全評(píng)價(jià)指南（試行）》規(guī)定。

相比轉(zhuǎn)基因，基因編輯作物能夠大大簡(jiǎn)化獲取生物安全證書的程序，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(qū)域的大豆品種中開展基因編輯育種，希望能夠提高國(guó)內(nèi)大豆品種的單產(chǎn)水平、以及提高生物固氮的能力，減少農(nóng)業(yè)化肥的使用。

未來，也可以將該技術(shù)轉(zhuǎn)移到紫花苜蓿、花生等豆科作物中。

不過，需要注意的是，本次研究尚處于試驗(yàn)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(yàn)證。

提升大豆產(chǎn)量重要性何在？

據(jù)介紹，我國(guó)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 80% 依靠進(jìn)口。

進(jìn)口大豆并不用于做豆腐豆?jié){，而是先榨油、剩下的豆粕做飼料。豆粕飼料是優(yōu)質(zhì)蛋白來源，對(duì)于肉蛋奶畜牧生產(chǎn)來說是必不可少的。

目前，中國(guó)人口占據(jù)世界人口的 19%，過去 40 年經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，讓老百姓實(shí)現(xiàn)肉蛋奶自由，而飼料的消耗也水漲船高。

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

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(guó)內(nèi)種植效益差。

比如，大豆每畝地產(chǎn)量?jī)H為玉米的五分之一，收入約為玉米一半，因此農(nóng)民更愿意種玉米，導(dǎo)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(yīng)用，幫助提高大豆單產(chǎn)水平和農(nóng)民種植效益，也有助于提高大豆自給率。

將“諾獎(jiǎng)技術(shù)”基因編輯成功用于大豆增產(chǎn)

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

一直以來，該課題組致力于針對(duì)大豆開發(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(xiàn)“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)問題：即如何通過調(diào)控大豆結(jié)瘤固氮來提高大豆產(chǎn)量。

大豆能通過結(jié)瘤來固定空氣氮素，是一種環(huán)境友好型作物。

然而，在傳統(tǒng)育種經(jīng)驗(yàn)之中，人們發(fā)現(xiàn)結(jié)瘤過多會(huì)減少產(chǎn)量，因此普遍忽視了針對(duì)大豆生物固氮開展遺傳改良。

基于此，他們啟動(dòng)了本次結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)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(duì)大豆開發(fā)了高效的基因編輯技術(shù)，從而能對(duì)目標(biāo)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，課題組開始開始“磨刀”?！澳壳拔覀兪侨虼蠖够蚓庉嬵I(lǐng)域技術(shù)最強(qiáng)的科研團(tuán)隊(duì)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(jù)自己想法做“基因手術(shù)”。

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

自從該團(tuán)隊(duì)具備大豆基因編輯能力后，就一直在做這項(xiàng)工作，并積累了各種大豆突變體。

利用這些突變體他們開展了基因功能的基礎(chǔ)研究，同時(shí)也在觀察大豆的產(chǎn)量表現(xiàn)，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(duì)環(huán)境也比較友好，但是人們過去并不太希望增加大豆根瘤。因?yàn)楦鰰?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(shè)想：如能適當(dāng)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)過不同基因組合的篩選，他們發(fā)現(xiàn)上述方法果然能增加產(chǎn)量。

而當(dāng)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(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)增產(chǎn)。

隨后，他們篩選和評(píng)價(jià)了不同基因編輯大豆的產(chǎn)量表現(xiàn)。并針對(duì)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(duì)‘手術(shù)預(yù)后’開展跟蹤評(píng)價(jià)一樣。”研究人員表示。

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(yàn)田里測(cè)試大豆產(chǎn)量表現(xiàn)。

結(jié)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?yàn)閺倪^去的育種經(jīng)驗(yàn)來看，增加產(chǎn)量往往會(huì)降低蛋白質(zhì)，反之亦然。美國(guó)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(xiàn)’。”研究人員表示。

而該團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化地下的根瘤數(shù)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(jié)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(nóng)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(guó)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(dān)任共同通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Plants）

科學(xué)家版本的“草盛豆苗稀”

不過，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?cè)趯?shí)驗(yàn)室里雖然得心應(yīng)手，但下田干活就是小白了。”

剛開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。由于過了除草劑噴施的窗口期，只能人工除草。

于是實(shí)驗(yàn)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(dāng)午，汗滴禾下土”。后來，“種好田”也成為實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)工作之一。

“這個(gè)經(jīng)歷讓我對(duì)農(nóng)業(yè)之難有了更直觀的認(rèn)識(shí)，也開始理解提高農(nóng)業(yè)勞動(dòng)效率和降低種植成本對(duì)于農(nóng)業(yè)的重要性?！标P(guān)躍峰說。

比如對(duì)于生物育種來說，僅僅提高大豆產(chǎn)量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要圍繞抗除草劑、抗病蟲害等性狀，才能滿足現(xiàn)代種植的需求。

接下來，課題組首先將針對(duì) RIC 基因編輯技術(shù)開展更大規(guī)模的育種應(yīng)用，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)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(jié)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(zhēng)創(chuàng)制產(chǎn)量更高、品質(zhì)更好的“超級(jí)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)