CRISPR技术有助于揭示豆类基因如何改善固氮作用

　　

UCO团队利用获得2020年诺贝尔化学奖的基因组编辑技术，揭示了用其他方法无法表征的与豆类代谢有关的两个基因的功能

豆类是一种重要的饮食食物，具有很高的营养价值，是最直接食用的豆类。它们在田间也有一个“超级大国”：它们能够将氮固定在土壤中，因此它们减少了对氮肥（及其相关污染）的需求，也减少了与它们一起种植的作物。然而，对豆类植物的深入研究受到一个问题的阻碍：它对遗传转化具有高度的抗性。因此，当研究团队想要了解基因的功能或它们的行为时，他们无法产生突变体或修饰植物，从而使他们沉默或表达他们想要研究的基因。

这就是科尔多瓦大学分子生理学和植物生物技术小组在开始研究这种作物中嘌呤核苷酸（如腺嘌呤）的代谢时所面临的情况。腺嘌呤是存在于DNA和RNA中的5个含氮碱基之一。尽管在所有生物体中都起着决定性作用，但它们在豆类中更为重要，因为它们在吸收固定在根瘤中的氮方面起着至关重要的作用。因此，研究人员Josefa Mu?oz Alamillo和Cristina María López专注于研究固氮循环中致力于腺嘌呤再循环的酶（adenine phosphoribosyl transferase - APRT），并发现尽管这种酶具有单一的功能（腺嘌呤再循环），但编码它的基因有4个不同的拷贝。

“所以，我们的目标是弄清楚合成这种酶的基因的四个拷贝的具体功能是什么，”研究人员Josefa Mu?oz解释说。然而，为了确定四个如此相似、几乎完全相同的基因拷贝的不同功能，有必要在植物中进行测试，在这些植物中，除了他们想要探索的功能外，其他基因都被沉默了，反之亦然，由于豆类对转化的抵抗力，这是非常困难的。“因此，我们决定使用CRISPR/Cas9工具，通过它我们实现了与核苷酸在其根部循环相关的两个基因的基因编辑，”研究人员继续说道。

因此，以获得2020年诺贝尔化学奖的CRISPR/Cas9基因剪刀为基础的系统的开发，使编码这种腺嘌呤循环酶的基因的两个拷贝的两个功能突变体的创造成为可能，并分别描述了它们的功能。Mu?oz说：“我们发现其中一种确实影响腺嘌呤的循环，但另一种在调节细胞分裂素方面起着重要作用，细胞分裂素是一种负责植物根和根瘤生长的激素。”

因此，基因表达分析和代谢组学分析表明，虽然这两个基因拷贝具有冗余功能，但它们也具有特异性的分化功能，这是迄今为止所未知的。而且，由于它们的相似性，以及豆类对其他传统方法转化的抵抗力，使用CRISPR/Cas9（在豆类中很少使用）是必不可少的。

分析还表明，基因的位置是不同的，并涉及其功能的专业化；一个在叶绿体（负责光合作用的细胞器官）中表达，另一个在细胞质（细胞器和细胞核被淹没的水部分）中表达。

这些进展构成了迄今为止对豆类腺嘌呤代谢最深入的研究，揭示了两个基因之间的功能差异，这两个基因产生腺嘌呤循环的关键酶，并影响结节的形成和氮的代谢，使用的也是一种新颖的CRISPR/Cas系统。根据研究人员的说法，第一步是确定其他两个相关基因的功能特征，这两个基因显然可能具有其他功能，如调节根系生长和抗旱性，并继续应用这个强大的工具。