基因编辑打击石油：高产亚麻荠使生物燃料发生革命性变化

科学家通过编辑TT8基因，将亚麻荠的油产量提高了21.4%，为更高效的生物燃料作物铺平了道路。

随着运输燃料实现净零碳排放的举措势头越来越猛，对非粮食作物衍生石油的需求也在增加。这些作物利用阳光将大气中的二氧化碳转化为石油，储存在种子中。旨在最大限度地提高石油产量的作物育种家通常青睐黄色种子的植物，因为在油菜籽等油籽作物中，黄色种子的油产量通常比棕色种子的品种多。这是由于一种蛋白质将种子染成棕色，而黄色种子植物中不存在这种蛋白质，这种蛋白质在油脂生产中也起着关键作用。

生物燃料作物开发的突破

现在，美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室的植物生化学家们 —— 他们对增加植物油合成以可持续生产生物燃料和其他生物产品感兴趣 —— 已经利用这一知识创造了一种新的高产油籽作物品种。在刚刚发表在《植物生物技术杂志》上的一篇论文中，他们描述了他们如何使用现代遗传学工具生产出一种黄色种子的亚麻荠（Camelina sativa），它是油菜的近亲，但比普通亚麻荠多积累21.4%的油。

布鲁克海文实验室生物化学家约翰·尚克林（John Shanklin）说：“如果育种者能使油产量增加几个百分点，他们就会认为这是很重要的，因为当你种植数百万英亩的土地时，即使产量的小幅增加也会导致油产量的大幅增加。”他说：“我们近22%的增产是出乎意料的，可能会导致产量大幅增加。”

简单的想法，不寻常的植物

开发这种高产油菜籽的想法很简单：模仿自然发生的高产黄籽油菜籽品种。

尚克林说：“育种者已经发现了含有更多油脂的植物，其中一些碰巧有黄色的种子，他们并不真正担心这种机制。”但是，一旦科学家发现了导致黄色种子颜色和含油量增加的基因，他们就有了潜在地增加其他物种含油量的方法。

提高油产量的基因编辑

这种基因的指令是制造一种名为Transparent Testa 8（TT8）的蛋白质，这种蛋白质控制着使种子呈棕色的化合物的产生。重要的是，TT8还抑制了一些参与油合成的基因。

领导这个项目的余晓红（音译）假设，去除亚麻荠中的TT8应该会释放对油合成的抑制，并释放出一些可以用于石油生产的碳。

去除亚麻荠的单个基因是非常具有挑战性的，因为这种植物在生物中是不寻常的。它不是有两组染色体 —— 也就是每个基因的两个副本 —— 而是六组。

“这种‘六倍体’基因组解释了为什么没有任何自然产生的黄籽亚麻品种，”余解释说。“在TT8的所有六个拷贝中同时发生突变，以完全破坏其功能是极不可能的。”

基因编辑打击石油

多亏了现代遗传学的工具，布鲁克海文的研究小组有办法敲除TT8的所有六个拷贝。他们使用被称为CRISPR/Cas9的基因编辑技术，来靶向TT8基因中的特定DNA序列。他们利用这项技术在这些位置切割DNA，然后制造出使基因失活的突变。余晓红和他的团队随后进行了一系列生化和遗传分析，以监测他们的目标基因编辑的效果。

“我们正在寻找的黄色种子表型是我们搜索的一个很好的视觉指南，”余晓红说。“通过筛选不到100种植物，这帮助我们找到了我们正在寻找的种子 —— 在这些植物中，我们确定了三个独立发生的系，其中所有六个基因都被破坏了。”

结果：只有在TT8基因的6个拷贝全部被破坏的植物中，种皮的颜色才会从棕色变为黄色。黄色种子的“类黄酮”化合物和“粘液”含量低于未编辑基因组的棕色亚麻荠种子，这两种物质通常是由TT8控制的生化途径产生的。

此外，许多参与油脂合成和脂肪酸生产的基因在经过CRISPR/ cas9编辑的植物种子中表达水平增加。这导致了油积累的急剧增加。改变后的种子还有另一个惊喜，那就是蛋白质和淀粉的含量没有改变。

TT8的靶向突变遗传给了亚麻荠的后代，这表明这种改善将是稳定和持久的。

研究人员总结道：“我们的研究结果证明了通过基因编辑创造新品系的潜力，在这种情况下，通过操纵TT8来增强油的生物合成。进一步了解TT8和其他因素如何控制生化途径的细节，可能为提高石油产量提供额外的基因靶点。”