中美合作|马铃薯、水稻和小麦增产50%的突破性技术

来自芝加哥大学、北京大学和贵州大学的一组科学家宣布，操纵RNA可以让植物大幅增产，同时提高抗旱能力。新的RNA技术的突破使植物能够显著增加作物产量，提高耐旱性，这可能会对粮食短缺和产量产生影响，因为气候变化威胁到生态系统。

　　

在最初的试验中，在水稻和马铃薯植株上添加一种名为FTO的蛋白质编码基因，在田间试验中使它们的产量提高了50%。植株长得明显更大，产生更长的根系，并能更好地忍受干旱胁迫。分析还表明，这些植物的光合速率提高了。

“变化真的是巨大的，”芝加哥大学的Chuan He教授说，他和北京大学的Guifang Jia教授共同领导了这项研究。“更重要的是，它几乎适用于我们迄今为止尝试过的所有类型的植物，这是一个非常简单的修改。”

研究人员对这一突破的潜力充满希望，尤其是在气候变化和全球作物系统面临的其他压力的情况下。几十年来，面对日益不稳定的气候和不断增长的全球人口，科学家们一直在努力提高作物产量。但是，这样的过程通常是复杂的，而且往往只导致增量的变化。

这一发现的方式则完全不同。

我们很多人都记得高中生物课上的RNA，我们学过RNA分子读取DNA，然后制造蛋白质来执行任务。但在2011年，He的实验室发现了哺乳动物基因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，然后盲目地执行。细胞本身也可以调节蓝图的哪些部分得到表达。它通过在RNA上放置化学标记来调节蛋白质的组成和数量。

He和同事们立即意识到这对生物学有重大意义。从那时起，He的团队和世界各地的其他人一直在努力充实我们对这一过程的理解，以及它对动物、植物和不同人类疾病的影响。例如，He是一家生物技术公司的联合创始人，该公司目前正在开发基于靶向RNA修饰蛋白的新型抗癌药物。

He和前芝加哥大学博士后研究员、现北京大学副教授贾桂芳(Guifang Jia，音译)开始思考它是如何影响植物生物学的。

他们的研究重点是一种名为FTO的蛋白质，这是已知的第一种可以消除RNA上化学标记的蛋白质，贾在芝加哥大学做博士后研究时发现了这种蛋白质。科学家们知道它通过研究RNA来影响人类和其他动物的细胞生长，所以他们尝试将这种基因插入水稻植物中，然后惊奇地观察这些植物的生长。

“我想就在那时，我们所有人都意识到我们在做一件特别的事情，”He说。

在实验室条件下，这些水稻的产量是原来的三倍。当他们在实际的田间试验中尝试这种方法时，植株的质量提高了50%，产量也提高了50%。它们的根更长，光合作用更有效，能够更好地抵御干旱的压力。

科学家们在马铃薯植株上重复了这个实验，因为马铃薯属于一个完全不同的家族。结果是一样的。

“这表明某种程度的普遍性是非常令人兴奋的，”He说。

科学家们花了更长的时间才开始理解这是如何发生的。进一步的实验表明，FTO在植物开发的早期就开始发挥作用，提高了它产生的生物量总量。

科学家们认为FTO控制着一个被称为m6A的过程，这是RNA的一个关键修饰。在这种情况下，FTO通过消除m6A RNA来抑制一些告诉植物放慢生长速度和减少生长的信号。想象一条有很多红绿灯的道路;如果科学家挡住红灯，留下绿灯，越来越多的汽车可以沿着道路行驶。

总的来说，转基因植株产生的RNA明显多于对照植株。本文所描述的过程涉及到在植物中使用动物FTO基因。一旦科学家们完全理解了这种生长机制，He认为可能会有其他方法达到同样的效果。

He说:“似乎植物已经有了这层调控，而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基因来做到这一点。”

他可以想象未来各种各样的用途，He正在与大学和波尔斯基创业与创新中心合作，探索各种可能性。

He说:“除了食物，气候变化还有其他后果。也许我们可以在受威胁的地区改造草类，使其能够承受干旱。也许我们可以教中西部的一棵树长更长的根，这样它就不太可能在强风暴中被推倒。有很多潜在的应用。”

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