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特拉维夫大学研究团队利用CRISPR技术的突破性研究将彻底优化农作物特性

2023/05/31

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自农业革命以来,人类一直致力于通过基因多样性来增加农作物品种。然而,直到最近,我们的认知还仅限于个体基因的功能,这些基因仅占基因组的20%,剩下的80%由按家庭分组的基因组成,在大基因序列中仍然是个谜。


在一项突破性的研究中,特拉维夫大学生命科学院内的植物科学与食品安全研究团队利用CRISPR技术开发一种创新并可扩展的基因改造方法,揭示植物中重复基因的作用和特征,并成功识别出许多被忽略的特征,为作物改良的革命性方法铺平了道路,这一突破性研究有望彻底改变各种作物的农业操作,包括提高产量和增强农作物对干旱和虫害的抵抗力。 

 
克服基因冗余

胡阳杰博士带领的研究团队

特拉维夫大学植物科学与食品安全的这项开创性研究由博士后胡阳杰博士负责,植物科学与食品安全专业的Eilon Shani教授和Itay Mayrose教授指导。该研究团队与来自法国、丹麦和瑞士的科学家合作,利用CRISPR基因编辑技术以及生物信息学和分子遗传学方法开发这种创新的基因定位技术。该研究成果已在顶尖的《Nature Plants》期刊上发表。

特拉维夫大学植物科学与食品安全学院的Itay Mayrose 教授(左)和Eilon Shani教授(右)

由基因家族引起的基因冗余长期以来是植物研究中的一个重要挑战。过去的基因干预方法因无法精确识别负责特定性状的基因而受到限制。应对这一挑战的公认方法是产生突变,即以不同方式修改基因,然后检查因基因突变引发的

植物特性改变,从而了解植物的基因功能。


例如,如果一种植物长出了更甜的果实,我们就可以得出结论,被改变了的基因决定了果实的甜度。这种方法已经使用了几十年,非常成功,但也存在一个根本的问题:普通植物例如番茄或水稻约有3万个基因,但其中80%不是单独工作,相似基因成群结队组成基因家族。因此,如果来自某个家族的单个基因发生突变,很有可能来自同一家族的另一个基因(实际上是与突变基因非常类似的副本)会代替突变基因掩盖表型。由于这种称为基因冗余的现象,我们很难改变植物特性,也很难确定基因的功能及其与特定性状的联系。 


“我们希望应用该技术来控制植物中的突变,以达到农业改良的目的,特别是为了克服基因冗余造成的常见限制。“ 

—— Itay Mayrose教授

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特拉维夫大学的研究团队利用CRISPR和sgRNA序列设计来应对这一挑战,这些sgRNA序列可引导细菌中天然存在的一种称为Cas9的酶来切割整个基因家族相关的特定基因序列。Mayrose教授解释说,“这种基因编辑方法使我们能够设计不同的sgRNA序列,使Cas9能够切割几乎任何我们想要改变的基因。我们希望应用该技术来控制植物中的突变,以达到农业改良的目的,特别是为了克服基因冗余造成的常见限制。”

 
商业化和对未来的影响

Shani教授总结道,“我们开发的新方法对植物的基础研究有巨大的帮助,除此以外,它对农业也有深远意义,可以让我们更有效、准确地揭示负责的基因库对于我们寻求改善的特性 -- 例如抗旱、抗病虫害或提高农业产量。我们相信未来农业方向是大规模地控制和有针对性地改良作物。如今我们已经在水稻和番茄植物上成功地应用了我们开发的方法,并打算将其应用于其它作物。”


特拉维夫大学的技术孵化器公司Ramot已经看到了这一突破性技术的变革潜力,已与AgChimedes集团合作成立了DisTree公司,致力于将该技术应用到不同农作物。这项合作,连同财政投资和专业支持,旨在彻底改变农业遗传学并确保气候危机下的食品营养与安全。 

植物科学与食品安全系所属的特拉维夫大学生命科学院简介

1. 成立于1956年,为特拉维夫大学历史最悠久的学院。

2. 生命科学院的在校生为3000多,分布在6个系,教授科研人员约100人,超过50个荣休教授,许多仍然在自己的实验室工作。

3. 在生物学和生物化学领域排名全球第82位。 

4. 教授科研人员的研究出版物数量在世界上排名第75位。

5. 研究经费超过3400万美元。

6. 许多世界前沿的研究中心,包括Ela Kodesz癌症发展与预防研究所,个性化医疗细胞筛选设施,Strauss计算神经影像中心和TAU纳米科学与纳米技术中心。

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