CRISPR/Cas9介导的giant基因敲除提升黑水虻生物转化效率及生殖能力的研究

本研究针对有机废弃物处理效率低下的全球性难题，通过CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除黑水虻(Hermetia illucens)的giant(gt)基因，成功培育出体型增大13.10%、繁殖能力提升55.53%的工程化品系。该突变株在食物残渣(FW)、酒糟(DG)等多种有机废弃物处理中均表现出稳定的高效转化特性，为废弃物资源化利用提供了安全优质的昆虫底盘，相关成果发表于《Communications Biology》。

　　

全球每年产生约20亿吨有机废弃物，传统填埋、焚烧等处理方式不仅造成二次污染，还导致大量资源浪费。黑水虻(Hermetia illucens)作为"自然回收专家"，能将有机废弃物转化为富含蛋白质和脂肪的生物质，但其转化效率已成为制约产业化应用的瓶颈。如何在保持营养品质的同时提升其生物转化能力，成为当前环境生物技术领域的重要课题。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心的研究团队创新性地采用分子育种策略，通过CRISPR/Cas9系统敲除黑水虻的gt基因，成功开发出具有显著转化优势的工程化品系。研究发现，gt基因的缺失通过上调胰岛素样肽(ILPs)表达促进幼虫生长，使突变体体重增加16.8%，在食物残渣处理中转化效率提升13.10%，且对不同类型有机废弃物均表现出稳定的高效转化特性。该成果为有机废弃物的规模化处理提供了优质生物工具，相关论文发表于《Communications Biology》。

研究团队运用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建gt基因敲除株，通过表型分析、转录组测序和竞争性生殖实验等系统评估突变体特性。实验采用小麦麸(WB)、食物残渣(FW)等不同基质进行生物转化能力测试，并通过气相色谱(GC)分析脂肪酸组成，Dumas燃烧法测定蛋白质含量。

在"Identification and analyses of gt"部分，研究通过同源比对确认黑水虻gt基因(LOC119655181)与果蝇gt基因高度保守，均含有bZIP结构域。基因编辑获得的两个纯合突变株系均产生19.8 kDa的截短蛋白，显著小于野生型(WT)的39.3 kDa。

"CRISPR/Cas9 induced gt mutation and phenotypic changes"显示，突变体从孵化后4天(DAH)开始体重显著增加，12 DAH时分别比WT重16.8%和12.3%。值得注意的是，虽然体型增大，但发育速率未受影响。转录分析发现突变体新生幼虫中ilp2、ilp3和ilp5表达显著上调，揭示了gt通过胰岛素信号通路调控生长的分子机制。

"Disruption of gt enhances larval conversion efficiency"部分证实，突变体处理小麦麸时生物转化效率(WW:4.63%；DW:5.33%)显著高于WT(WW:4.27%；DW:5.06%)。脂肪(33.58%)和蛋白质(35.01%)含量与WT相当，但长链脂肪酸比例增加，月桂酸含量降低。

"The△gt strain exhibits enhanced fertility"表明突变体产卵量增加55.53%，但体型较大的品系1在2小时内交配率降低，显示体重增加可能影响运动敏捷性。RNA-seq分析发现角质层相关基因显著下调，组织学观察证实突变体角质层变薄，这可能是对快速生长的适应性改变。

研究最后通过混合种群竞争实验验证了工程菌株的生态安全性。在WT与突变体混合饲养条件下，突变体比例始终低于30%，且纯合突变体极少成功完成双亲交配，表明该品系在自然环境中具有生殖竞争劣势。

这项研究首次将分子育种技术成功应用于黑水虻遗传改良，创制的gt突变株不仅提高了有机废弃物转化效率，还通过内在的生殖竞争限制降低了环境释放风险。该工作为昆虫生物制造提供了优质底盘，同时为其他资源昆虫的高通量育种提供了技术范式。从应用角度看，工程化黑水虻品系有望解决有机废弃物处理中的效率瓶颈问题，其每提升1%的转化效率，在规模化应用中都将产生显著的经济和环境效益。研究揭示的gt基因多功能性也为昆虫发育生物学提供了新的理论见解。