一年多以前，可實現(xiàn)基因組所有12種單堿基自由轉(zhuǎn)換的引導編輯技術誕生。安徽農(nóng)業(yè)科學院科學家利用引導編輯技術首次在水稻中實現(xiàn)定向進化，并創(chuàng)制了可供育種的新種質(zhì)。這一工作證明人工進化相對于自然選擇存在一定優(yōu)勢，這可以讓作物改良的進程大大加快，相較于CRISPR靶向突變和單堿基編輯技術，引導編輯技術提供了關鍵功能位點的人工進化新方法。相關研究成果在《自然—植物》發(fā)表。

窮盡64種組合，實現(xiàn)飽和突變篩選

基因編輯，通俗來講，就是通過特定分子工具來精準“剪開”DNA，實現(xiàn)基因組片段或位點的刪除、插入和替換的一項技術。這一技術被一些科學家稱作切開基因的“魔剪”。自上世紀90年代以來，各種基因編輯技術相繼建立。這些基因編輯工具都是提供了針對特定核酸序列編程的分子剪刀，為精確地修改動物、植物和微生物的DNA提供了可能。

早期的基因編輯方法(靶向突變)只能在某一個片段上產(chǎn)生一個突變，但這種突變是什么樣子的沒有辦法控制，也就是說能控制突變的位置，而不能控制突變的形式。而其他傳統(tǒng)理化誘變等技術也無法控制突變的形式。同時，靶向突變往往插入或者刪掉一個片段，造成的是功能的破壞。但生產(chǎn)上需要的不是這種功能的破壞，而是把相應位點的功能調(diào)高一點或者調(diào)低一點，甚至創(chuàng)造新的功能。因此，利用早期的單堿基編輯技術無法實現(xiàn)目標。

科學家一直想在一個基因位點上嘗試所有可能的突變形式，也就是試試所有氨基酸會產(chǎn)生什么樣的表型?；蚪M中的堿基有四種，3個堿基組成1個氨基酸，而4種堿基的隨機排列有64種組合，這些組合對應所有20種氨基酸。2013年出現(xiàn)的基因編輯技術可以實現(xiàn)堿基之間的轉(zhuǎn)換。2017年，科學家實現(xiàn)了高效的T轉(zhuǎn)換為C，A轉(zhuǎn)換為G。2019年10月又實現(xiàn)了四種堿基之間的任意轉(zhuǎn)換，也就是引導編輯技術。此項技術可以在特定位點上實現(xiàn)所有64種堿基組合的轉(zhuǎn)換，即完成單個氨基酸位點的飽和突變。

體外飽和突變篩選是目前研究蛋白功能的重要手段，但在真核生物體內(nèi)實現(xiàn)關鍵氨基酸高頻替換，尚存在較大技術難度。這項研究成功地在水稻中建立了可實現(xiàn)體內(nèi)特定位點氨基酸飽和替換突變的新型技術策略，可以獲得不同的表型，解決了上述技術難題。僅僅花了一年零8個月時間，引導編輯技術完成了在哺乳動物中開發(fā)成功，在植物中成功建立并優(yōu)化，在水稻中實現(xiàn)功能位點的全部20種氨基酸編輯并創(chuàng)制新種質(zhì)，從而實現(xiàn)基因編輯新技術在農(nóng)業(yè)領域中的應用。

創(chuàng)制自然界中不存在的新位點

基因編輯技術為作物育種帶來了新機遇。作物的不同品種可能在生長快慢、產(chǎn)量高低和營養(yǎng)貧富等農(nóng)藝性狀上出現(xiàn)較大差異，這主要由于決定性狀的DNA上攜帶了遺傳變異。作物新品種的選育實質(zhì)上就是遺傳變異的產(chǎn)生和選擇過程。

遺傳變異是作物育種基礎。常規(guī)育種技術利用自然產(chǎn)生或物理、化學方法誘變產(chǎn)生遺傳變異，但由于傳統(tǒng)誘變靶向性不足、突變隨機性較大等技術問題，在多數(shù)情況下，挖掘和鑒定這些主效基因最適于生產(chǎn)的等位型仍較為困難，因此常規(guī)育種周期長、遺傳改良效率低，突破性品種選育困難。而基因編輯技術可高效準確地在目標基因上誘發(fā)突變，從而定向獲得常規(guī)育種方式難以得到且具有重要經(jīng)濟價值的遺傳變異。以基因編輯為基礎的新型育種技術可將常規(guī)技術長達10年的品種選育周期縮短至2～5年,大大提高了育種效率，已經(jīng)成為作物育種技術發(fā)展的主要方向。

在研究水稻抗除草劑基因的過程中，有很多突變是天然產(chǎn)生的，但人們無法不知道這些天然突變是不是最適合的突變。比如，一個突變可以讓水稻具有抗除草劑性狀，但也可能同時造成了生長緩慢，甚至產(chǎn)量下降?？茖W家猜測，天然突變可能無法讓一個基因完全發(fā)揮優(yōu)勢。而通過飽和突變，也就是在某些關鍵位點逐個嘗試不同的氨基酸替換突變，然后測試不同等位型的效果好壞與否，有可能找到最適合某一作物某一位點的突變。

但如何在體內(nèi)實現(xiàn)重要基因關鍵位點的飽和氨基酸替換突變是該類研究的難點問題。選擇水稻抗除草劑基因OsACC1作為研究對象，主要是基于該基因的功能，OsACC1基因是除草劑關鍵應答基因，它可以通過抗性篩選實驗來分辨不同表型。通過大量實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)抗除草劑基因具有巨大的潛力。通過在6個已報道的潛在抗性位點上開展方法學研究，共發(fā)現(xiàn)16種不同類型的氨基酸替換突變可能與除草劑抗性獲得密切相關。其中有3個位點為植物中首次鑒定。

引導編輯技術具有將目標氨基酸突變?yōu)槠渌?9種氨基酸的能力，從而提供了關鍵功能位點的人工進化新方法。而這，實際上加快了進化速度。

人工進化更有優(yōu)勢

這實際上是一種定向進化，而定向進化是實驗室中在分子水平的模擬自然進化過程。也就是根據(jù)需求，針對目的蛋白人為制造大量的突變并給予選擇壓力，篩選出具有期望特征的變異型，進而解決生產(chǎn)問題。

在研究中，我們篩選到了自然界中不存在的，甚至通過理化誘變和基因編輯也難以創(chuàng)制出來的位點。這證明人工進化方法相對于自然選擇的確存在優(yōu)勢，也大大拓寬了種質(zhì)創(chuàng)制的思路。研究人員利用這項技術成功篩選到多個水稻抗除草劑的新位點，顯出巨大應用價值。該研究不僅建立了作物基因定向進化的新方法，也為充分挖掘重要基因新等位型，突破現(xiàn)有種質(zhì)資源限制，根據(jù)生產(chǎn)需求人工“定制”優(yōu)異性狀提供了新思路，具有重要的借鑒意義。

此項研究中，新篩選到的三個位點在目前的實驗中表現(xiàn)出較好的除草劑抗性，后續(xù)還要進一步考察其抗除草劑的同時是否能夠保持較好的農(nóng)藝性狀。因為現(xiàn)有的引導編輯系統(tǒng)的效率還比較低，選擇基因位點時需要其他的一些輔助手段，如抗性篩選等，來減少工作量。但隨著引導編輯系統(tǒng)效率的提高，這一方法將可用于更多其他功能基因的定向進化。

相較于其他方法，通過人工進化，我們篩選到的這些水稻的內(nèi)源位點，有可能很快就能直接用在生產(chǎn)上，來幫助實現(xiàn)水稻綠色生產(chǎn)模式。目前，已經(jīng)對新發(fā)現(xiàn)的基因位點進行了知識產(chǎn)權保護。以基因編輯為代表和核心的生物育種技術正成為推動作物遺傳改良和品種培育的重要引擎，必將在我國種業(yè)科技創(chuàng)新中發(fā)揮巨大作用。