动物肥胖基因也能让植物“变胖”？中美科学家成功使水稻、马铃薯增产3倍

图片来源@视觉中国

文 | 学术头条，作者 | ZS，编辑 | 王新凯

食物是人类生存的基础，长期以来，人类生活最重要的工作就是获取食物。今天，生活富足的我们可能很难想象很多人基本的食物需求都无法被满足，吃不饱穿不暖的场景。

而随着技术的进步和发展，中国早已不是以前那个贫弱的国家。如今，中国人均粮食的占有量在 474 公斤，远超国际标准 400 公斤的粮食标准的安全线，位居世界前列。同时，现如今的中国不仅解决了人们温饱问题，经过 8 年的奋斗，中国还实现了全面脱贫的目标。

当然，中国人民温饱问题的解决离不开一代又一代科学工作者的付出。

近日，北京大学贾桂芳教授与美国芝加哥大学何川教授、贵州大学宋宝安教授合作，首次开发了利用 RNA 表观遗传修饰 N6 - 甲基腺嘌呤（m6A）直接提高植物生物量、产量和抗逆的新技术。实验中研究人员发现，经过 RNA 遗传修饰的水稻单株明显长得更大，根系更长，能更好地耐旱，光合作用效率也有所提高。同时，其产量在实验室内增加了 3 倍，在试验田内增加了 50%。

该研究以 “RNA demethylation increases the yield and biomass of rice and potato plants in field trials” 为题发表在最新一期的 Nature Biotechnology 杂志上。

对此，何川教授表示，“这一技术显著提升了农作物产量，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。而这仅仅是一个非常简单的修改。”

神奇的肥胖基因 ——FTO

肥胖相关基因（FTO）是第一个被发现在肥胖中发挥重要作用的基因，在调节体重和脂肪含量方面具有重要作用。据说 FTO 基因的名称源于 “大块头肥仔”（fatso）一词的缩写，该基因是 1999 年发现的一个长达数十万个碱基对的区段。

FTO 基因是目前机理最复杂、不断有新发现的肥胖基因。2007 年，FTO 基因首次在欧洲人群中被鉴定为肥胖风险基因。携带一个 FTO 基因的人平均增重 1.2 公斤，携带两个 FTO 基因的人平均增重 3 公斤，而且肥胖风险提高 1.67 倍。

2014 年《自然》杂志报道，FTO 基因的一段序列可以与控制脂肪组织发育的基因相结合，像发动机一样促进后者在大脑中的表达，使褐色脂肪（能 “燃烧” 的脂肪）变成白色脂肪（难以 “燃烧” 的脂肪）。如果缺失 FTO 基因，那么小鼠的白色脂肪又可重新变成褐色脂肪，体重降低 25%~30%。

前不久，《新英格兰医学杂志》又发表一篇论文指出，FTO 基因中一个碱基的不同，就能决定小鼠是胖还是瘦。具体来说，若 FTO 基因某个位置的碱基是 C 时，则会让脂肪组织发育基因起作用，FTO 就是 “胖” 基因，产热降低。相反，当碱基为 T 时，则会让脂肪组织发育基因不起作用，FTO 变成 “瘦” 基因，产热效应升高。假如将来能找到脂肪组织发育的抑制剂，那么人们既不需要增加运动量也不用改变食欲就能轻松减肥。

动物肥胖基因如何使植物增产？

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。2010 年何川教授首次提出 “RNA 表观遗传学” 概念，大胆预测在 RNA 上可能存在可逆的化学修饰，如同 DNA 和组蛋白可逆化学修饰调控基因转录一样，对基因表达具有重要的调控功能。

2011 年，贾桂芳教授和何川教授美国芝加哥大学实验室其他成员一起发现了第一个 RNA 化学修饰 m6A 的去修饰酶，首次揭示了 RNA 上的甲基化修饰动态可逆，对基因表达具有重要的调控功能。

RNA 表观遗传修饰 m6A 动态可逆，可以被甲基转移酶加上、去甲基酶去除，其依赖 m6A 结合蛋白识别，调控基因表达，包括选择性剪接、mRNA 出核、mRNA 稳定性和翻译，同时还可以调控转录。

m6A 不仅在动物干细胞分化、组织发育，脑记忆、免疫，疾病等具有重要调控功能。在植物体内，m6A 也是植物正常发育所必需的，在调控植物生长发育中起到重要作用。

于是，何川教授与贾桂芳教授便将目光放到了 FTO 上。因为鼎鼎大名的肥胖基因 FTO，不仅仅是一种肥胖调节基因，它还编码了动物 RNA 去甲基酶，可以擦去动物 RNA 上的表观遗传印记。由于植物中没有 FTO 同源蛋白，因此研究人员想尝试将 FTO 插入到植物中，看看是否能影响植物细胞的生长。

随后，研究人员将 FTO 引入粮食作物水稻和经济作物马铃薯中，实现针对 RNA 修饰 m6A 去甲基。田间试验结果表明，过表达 FTO 转基因水稻和马铃薯的产量和生物量都显著增加了约 50%。

图 | 上图是未改良马铃薯的产量；下图是带有 RNA 修饰的马铃薯产量（来源：uchicago.edu）

图 | 左侧是没有经过 RNA 修饰的水稻植株；右侧是一株经过 RNA 修饰，产量得到大幅提升的水稻植株（来源：uchicago.edu）

进一步研究发现，过表达 FTO 可显著促进水稻分蘖形成和根系生长，增强光合作用，并具有抗旱能力。过表达 FTO 可促进根顶端分生组织细胞的增殖，增加根长和根的数目，从而促进根系生长。而以上表型均与 FTO 去甲基能力直接相关。

深入研究其分子机理，研究人员发现，FTO 介导的 m6A 去甲基化可以促进染色质开放，激活转录，分别使叶片中约 11000 个基因和根里面约 7000 个基因表达上调，激活多个通路。这一结果也揭示染色质上 RNA m6A 甲基化对植物染色质状态和基因表达的重要作用。

总体而言，本项研究开辟了全新的植物育种方向，是该领域的一项重大突破，对未来应对粮食危机，维护和改善生态体系和提供充足植物原材料提出了一种全新的技术。

同时，本项技术在单子叶植物水稻和双子叶植物土豆中的成功应用，预示该技术具有一定的植物普适性。未来 RNA 表观遗传学改良育种新方向将有望对世界粮食作物和经济作物生产带来新的革命。

参考资料：

• https://www.nature.com/articles/s41587-021-00982-9
• https://news.uchicago.edu/story/rna-breakthrough-crops-grow-50-percent-more-potatoes-rice-climate-change

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