隨著世界人口的快速增長(zhǎng)，至2050年糧食產(chǎn)量需要再增加50%才能完全滿足需求，如何進(jìn)一步提高作物產(chǎn)量是亟待解決的嚴(yán)峻問(wèn)題。加之近年來(lái)全球氣候變暖、土地干旱半干旱加劇、極端天氣等也給糧食安全帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，土地沙漠化和荒漠化嚴(yán)重，對(duì)大自然和人類健康的危害也在日益加劇，如何打造“山水林田湖草”的整體生態(tài)文明的同時(shí)能提供更多的植物原材料也是亟待解決的問(wèn)題。我國(guó)科學(xué)家在傳統(tǒng)作物雜交育種和新分子育種提高作物產(chǎn)量方面作出巨大貢獻(xiàn)，但依然迫切需要新技術(shù)應(yīng)對(duì)未來(lái)的糧食挑戰(zhàn)、森林草原修復(fù)和提供足夠的植物原材料等問(wèn)題。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院賈桂芳研究員課題組致力于研究RNA甲基化修飾N6-甲基腺嘌呤（m6A）調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育及刺激響應(yīng)的分子機(jī)制，繪制了植物擬南芥和玉米的m6A全轉(zhuǎn)錄圖譜（Nature Communications 2014；Plant Physiology 2020），鑒定和解析了植物擬南芥中m6A去修飾酶ALKBH10B和m6A結(jié)合蛋白ECT2、CPSF30-L的生物功能（Plant Cell 2017, 2018; Molecular Plant 2021；Nature Communications 2021），推動(dòng)了植物RNA表觀遺傳學(xué)的研究。
7月22日，該課題組與美國(guó)芝加哥大學(xué)何川教授課題組、貴州大學(xué)宋寶安院士合作，共同在Nature Biotechnology發(fā)表題為“RNA demethylation increases the yield and biomass of rice and potato plants in field trials”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)RNA表觀遺傳修飾m6A水平可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量和生物量，作為首個(gè)糧食增產(chǎn)的表觀遺傳育種新技術(shù)，未來(lái)有望推進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展。
該研究在單子葉植物水稻和雙子葉植物土豆中引入FTO（哺乳動(dòng)物體內(nèi)的RNA去甲基化酶）來(lái)調(diào)控m6A水平。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，過(guò)表達(dá)FTO的水稻和土豆的產(chǎn)量與生物量都顯著增加了約50%。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)表達(dá)FTO可顯著促進(jìn)水稻分蘗形成和根系生長(zhǎng)，增強(qiáng)光合作用效率和抗旱能力。FTO可特異性增強(qiáng)根頂端分生組織細(xì)胞的增殖，增加根長(zhǎng)和根的數(shù)目，從而促進(jìn)根系生長(zhǎng)。深入研究其分子機(jī)理發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TO介導(dǎo)的m6A去甲基化可以促進(jìn)染色質(zhì)的開放，激活轉(zhuǎn)錄，尤其是表型相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。
該研究開發(fā)了一種革新的、具有普適性的表觀遺傳編輯育種技術(shù)，用于培育高產(chǎn)高生物量的優(yōu)良品種，實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)。此外改造后的植物根系發(fā)達(dá)，有望更加適應(yīng)抗旱、抗逆等環(huán)境，未來(lái)該技術(shù)有望應(yīng)用于森林草原生態(tài)修復(fù)問(wèn)題。
FTO對(duì)水稻品種日本晴（Nipp）的改造
FTO對(duì)馬鈴薯品種鄂薯3號(hào)（EM3）的改造
賈桂芳課題組博士后喻瓊（作物RNA修飾研究）、芝加哥大學(xué)何川課題組博士后劉順（生物信息學(xué)分析）為該論文的共同第一作者。賈桂芳、何川和宋寶安為該論文的共同通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金、北京光元立方生物技術(shù)有限公司和鐘子逸教育基金的資助。該研究大田實(shí)驗(yàn)得到中科院遺傳所李家洋院士課題組幫助。
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