RNA的突破创造了可多产50%的土豆和水稻

诸平

据美国芝加哥大学(University of Chicago)2021年7月22日提供的消息,中美科学家合作，操纵RNA可以让植物大幅增产，同时提高抗旱能力。相关研究结果已经在-《自然生物技术》（Nature Biotechnology）杂志网站发表——Qiong Yu, Shun Liu, Lu Yu, Yu Xiao, Shasha Zhang, Xueping Wang, Yingying Xu, Hong Yu, Yulong Li, Junbo Yang, Jun Tang, Hong-Chao Duan, Lian-Huan Wei, Haiyan Zhang, Jiangbo Wei, Qian Tang, Chunling Wang, Wutong Zhang, Ye Wang, Peizhe Song, Qiang Lu, Wei Zhang, Shunqing Dong, Baoan Song, Chuan He, Guifang Jia. RNA demethylation increases the yield and biomass of rice and potato plants in field trials. Nature Biotechnology, 2021; DOI: 10.1038/s41587-021-00982-9. http://www.nature.com/articles/s41587-021-00982-9

参与此项研究的除了芝加哥大学的研究人员之外，还有来自北京大学和贵州大学的研究人员，他们联合宣布，操纵 RNA 可以使植物产生更多的作物，并提高耐旱性。

在最初的试验中，在田间试验中，在水稻和马铃薯植株中添加一种编码 FTO 蛋白质的基因，使它们的产量提高了50%。植物长得明显更大，产生更长的根系，并且能够更好地耐受干旱胁迫。分析还表明，这些植物的光合作用速率有所提高。

芝加哥大学何川（Chuan He音译）教授说：“变化确实是巨大的，更重要的是，到目前为止，它几乎适用于我们尝试过的所有类型的植物，而且这是一个非常简单的修改。”何川教授与北京大学的贾桂芳（Guifang Jia音译）教授一起领导了这项研究。

研究人员对这一突破的潜力充满希望，尤其是在全球范围内面临气候变化和其他作物系统压力的情况下。

何川是芝加哥大学化学、生物化学和分子生物学的约翰·T·威尔逊杰出服务教授（John T. Wilson Distinguished Service Professor of Chemistry, Biochemistry and Molecular Biology）。他说：“随着全球变暖的进行，这确实为工程植物提供了潜在改善生态系统的可能性。我们在很多方面都依赖植物——从木材、食物和药物，到花卉和石油——这可能提供了一种增加我们可以从大多数植物中获得库存材料的方法。”

大米轻轻一推（Rice nudged along）

几十年来，面对日益不稳定的气候和不断增长的全球人口，科学家们一直致力于提高作物产量。但是这样的过程通常很复杂，而且往往只会导致增量变化。这一发现的产生方式完全不同。

我们中的许多人都记得高中生物学中的 RNA，在那里我们被教导 RNA 分子读取 DNA，然后制造蛋白质来执行任务。但在2011年，他的实验室通过发现基因在哺乳动物中表达的不同方式的关键，开辟了一个全新的研究领域。事实证明，RNA 并不是简单地读取 DNA 蓝图并盲目执行；细胞本身也可以调节蓝图的哪些部分得到表达。它通过将化学标记物置于 RNA 上来调节制造哪些蛋白质以及制造多少蛋白质来实现这一点。

他和他的同事立即意识到这对生物学具有重大意义。从那时起，他的团队和世界各地的其他人一直试图充实我们对这一过程及其对动物、植物和不同人类疾病的影响的理解。例如，他是一家生物技术公司的联合创始人，目前正在开发基于靶向 RNA 修饰蛋白的新型抗癌药物。

他和前芝加哥大学博士后研究人员、现北京大学副教授的贾桂芳开始怀疑它是如何影响植物生物学的。

他们专注于一种名为 FTO 的蛋白质，这是第一个已知的蛋白质，可以擦除 RNA 上的化学标记，贾桂芳在芝加哥大学何川团队担任博士后研究员时发现了这种蛋白质。科学家们知道它作用于 RNA 来影响人类和其他动物的细胞生长，因此他们尝试将其基因插入水稻植物中——然后惊讶地看着植物飞长。

“我认为那时我们所有人都意识到我们正在做一些特别的事情，”何川说。

在实验室条件下，水稻植株长出三倍多的水稻。当他们在实际的田间试验中进行试验时，植物的质量增加了50%，水稻产量增加了50%。它们长出更长的根，更有效地进行光合作用，并且能够更好地抵御干旱带来的压力。

科学家们用马铃薯植物重复了这些实验，这些植物属于一个完全不同的家族。结果却是一样的。何川说：“这表明了某种程度的普遍性，非常令人兴奋。”

科学家们花了更长的时间才开始了解这是如何发生的。进一步的实验表明，FTO 在植物发育的早期就开始发挥作用，提高了其生产的生物质总量。

科学家们认为FTO控制着一个称为m⁶A的过程，它是RNA的关键修饰。在这种情况下，FTO通过清除m⁶A RNA来消除一些告诉植物减慢和减少生长的信号。想象一条有很多红绿灯的道路；如果科学家们遮住红灯而留下绿灯，就会有越来越多的汽车沿着道路行驶。

总体而言，修饰植物产生的 RNA 明显多于对照植物。

修改流程（Modifying the process）

在论文中描述的过程涉及在植物中使用动物 FTO 基因。但是一旦科学家们完全理解了这种增长机制，何川认为可能有其他方法可以获得同样的效果。他说：“似乎植物已经有了这层调控，我们所做的就是利用它。所以下一步将是发现如何利用植物现有的遗传学来做到这一点。”

何川可以想象未来的各种用途——他正在与芝加哥大学和 Polsky 创业与创新中心合作，探索各种可能性。他说：“除了食物之外，气候变化还有其他后果。也许我们可以在受威胁的地区设计能够抵御干旱的草。也许我们可以教中西部的一棵树长出更长的根，这样它就不太可能在强风暴中倒塌。还有很多潜在的应用。”上述介绍仅供参考，欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

RNA N6-methyladenosine (m6A) modifications are essential in plants. Here, we show that transgenic expression of the human RNA demethylase FTO in rice caused a more than threefold increase in grain yield under greenhouse conditions. In field trials, transgenic expression of FTO in rice and potato caused ~50% increases in yield and biomass. We demonstrate that the presence of FTO stimulates root meristem cell proliferation and tiller bud formation and promotes photosynthetic efficiency and drought tolerance but has no effect on mature cell size, shoot meristem cell proliferation, root diameter, plant height or ploidy. FTO mediates substantial m6A demethylation (around 7% of demethylation in poly(A) RNA and around 35% decrease of m6A in non-ribosomal nuclear RNA) in plant RNA, inducing chromatin openness and transcriptional activation. Therefore, modulation of plant RNA m6A methylation is a promising strategy to dramatically improve plant growth and crop yield.