首次对植物进行合成基因驱动可以帮助根除杂草

　　北京时间2024年6月17日17时，中国科学院遗传与发育生物学研究所钱文峰团队在Nature Plants杂志在线发表题为“Overriding Mendelian inheritance in Arabidopsis with a CRISPR toxin-antidote gene drive that impairs pollen germination”的研究论文。

　　该研究报道了一个人工基因驱动系统CAIN(CRISPR-Assisted Inheritance utilizing NPG1)，该系统可以导致携带CAIN的花粉的传代优势，从而实现了植物超孟德尔遗传，为植物自然群体的遗传操控和数量控制奠定了基础。为确保生态安全，研究人员在自交繁殖的拟南芥中对该系统的设计进行了概念验证。

　　正如达尔文在《物种起源》中所言：“人类只选择对自己有利的(生物)，而大自然则只选择她倾向的生物”。前者说的是驯化，后者则是自然选择过程。

　　科学家可以在实验室中实现转基因或者基因组合成，使得生物产生对人类有利的性状。然而这些基因改造生物在自然环境中能否广泛传播和稳定存在是一个巨大的挑战。如果引入的是中性基因，其频率在群体中通常会保持不变;如果引入的是对生物适应环境有害的基因，则会因自然选择被逐渐淘汰。因此，要想改造自然群体，使其满足人类的利益而非生物本身的需求，则需要特殊的策略。

　　自然界中的一些有趣现象为科学家们提供了灵感。某些遗传元件在减数分裂过程中能够以高于孟德尔遗传的比例(即，杂合体中以超过50%的概率)传递给后代。例如果蝇中的Segregation Distorter (SD) 系统，能使携带SD基因的精子比不携带该基因的精子更容易存活[1]。此外，一些归巢内切酶如莱茵衣藻中的I-CreI，能够识别并切割同源染色体的同源位点，然后通过同源重组将自身复制到同源染色体的同源位置[2]，从而将杂合体转化为纯合体。

　　这些遗传元件被称为基因驱动(gene drive)，它们会以超过50%的频率遗传，这种现象被称为超孟德尔遗传。在超孟德尔遗传下，即使对个体有害的遗传元件也可以在群体中传播开，这为人类遗传改造自然群体提供了独特思路[3]。

　　借助CRISPR基因组编辑技术，科学家们已经能够模拟一些自然界中的超孟德尔遗传现象，并开发出了相应的人工基因驱动(synthetic gene drive)工具[4,5]，这些工具目前已经可以用于改造真菌和动物(特别是昆虫)的自然群体。然而，受限于植物的独特特征，特别是CRISPR切割后较低的同源重组修复效率，目前的基因驱动工具无法推广并应用于植物。

　　然而人类对植物自然群体的改造有着诸多需求。一个需求来源于对常用除草剂产生了抗性的杂草，它们往往导致除草剂使用量增加，这不仅会破坏生物多样性，还会降低粮食产量。另一个需求来自于入侵植物带来的环境问题。这些入侵植物常常在没有天敌的新环境中迅速扩散，破坏当地生态系统，导致本地植物和动物物种的衰退。这些挑战迫切要求我们采取操控自然植物群体的措施，保障粮食产量并维持生态平衡。

　　钱文峰团队利用CRISPR技术，开发了植物人工基因驱动系统CAIN(CRISPR-Assisted Inheritance utilizing NPG1)。该系统基于“毒药-解药”(toxin-antidote)机制，以切割拟南芥花粉萌发所必需的基因NPG1(No Pollen Germination 1)的CRISPR/Cas9组分作为“毒药”来阻止花粉萌发，同时以利用同义密码子重编码的、不被CRISPR/Cas9切割的NPG1序列作为解药，从而为携带基因驱动元件的花粉回补正常萌发所需的基因功能(图1a)。

　　图1：基因驱动工具CAIN的设计原理及其超孟德尔遗传方式

　　携带CAIN的杂合体植物作为父本时，由于内源两个拷贝的NPG1被敲除，只有携带CAIN的花粉能够成功萌发，理论传递率达到100%(图1b)。经人工杂交实验验证，携带CAIN的父本植株在连续两个与野生型植株的杂交世代中展示出显著的超孟德尔遗传效应，CAIN传递率为88-99%，远高于孟德尔遗传预期的50%。

　　由于NPG1在物种间的保守性[6]，或其它控制花粉萌发的相关基因可作为替代的靶基因，该系统为植物自然群体的遗传改造(population modification)或数量控制(population suppression)提供了实现途径。通过设计优化，植物基因驱动工具有望在未来的农业杂草控制和生态保护中发挥重要作用。

　　例如，将CAIN插入除草剂抗性基因中破坏该基因功能，通过CAIN的超孟德尔遗传，经过多代杂交后，农田杂草群体能够恢复对除草剂的敏感性。此外，通过破坏育性相关基因，CAIN可用于入侵植物的群体数量控制。亦或是通过引入抗逆基因实现濒危植物的拯救。

　　然而，基因驱动工具是一把双刃剑。如何控制其对野外异交繁殖物种的遗传操控强度、时空范围、物种特异性，以及防止恶意的释放，都迫切需要科学界、决策者和利益相关方共同参与、讨论并制定管理规范。

　　钱文峰研究员为本文通讯作者，博士后刘洋为第一作者，博士研究生焦丙可和北京大学的Jackson Champer研究员也参与了该项工作。该研究得到了中国科学院战略性先导专项和中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划的资助。