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文 | 學術頭條，作者 | ZS，編輯 | 王新凱Er6曹操讀書網

食物是人類生存的基礎，長期以來，人類生活最重要的工作就是獲取食物。今天，生活富足的我們可能很難想象很多人基本的食物需求都無法被滿足，吃不飽穿不暖的場景。Er6曹操讀書網

而隨著技術的進步和發展，中國早已不是以前那個貧弱的國家。如今，中國人均糧食的占有量在 474 公斤，遠超國際標準 400 公斤的糧食標準的安全線，位居世界前列。同時，現如今的中國不僅解決了人們溫飽問題，經過 8 年的奮斗，中國還實現了全面脫貧的目標。Er6曹操讀書網

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當然，中國人民溫飽問題的解決離不開一代又一代科學工作者的付出。Er6曹操讀書網

近日，北京大學賈桂芳教授與美國芝加哥大學何川教授、貴州大學宋寶安教授合作，首次開發了利用 RNA 表觀遺傳修飾 N6 - 甲基腺嘌呤（m6A）直接提高植物生物量、產量和抗逆的新技術。實驗中研究人員發現，經過 RNA 遺傳修飾的水稻單株明顯長得更大，根系更長，能更好地耐旱，光合作用效率也有所提高。同時，其產量在實驗室內增加了 3 倍，在試驗田內增加了 50%。Er6曹操讀書網

該研究以 “RNA demethylation increases the yield and biomass of rice and potato plants in field trials” 為題發表在最新一期的?Nature Biotechnology?雜志上。Er6曹操讀書網

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對此，何川教授表示，“這一技術顯著提升了農作物產量，更重要的是，到目前為止它幾乎適用于我們嘗試過的所有類型的植物。而這僅僅是一個非常簡單的修改。”Er6曹操讀書網

神奇的肥胖基因 ——FTO

肥胖相關基因（FTO）是第一個被發現在肥胖中發揮重要作用的基因，在調節體重和脂肪含量方面具有重要作用。據說 FTO 基因的名稱源于 “大塊頭肥仔”（fatso）一詞的縮寫，該基因是 1999 年發現的一個長達數十萬個堿基對的區段。Er6曹操讀書網

FTO 基因是目前機理最復雜、不斷有新發現的肥胖基因。2007 年，FTO 基因首次在歐洲人群中被鑒定為肥胖風險基因。攜帶一個 FTO 基因的人平均增重 1.2 公斤，攜帶兩個 FTO 基因的人平均增重 3 公斤，而且肥胖風險提高 1.67 倍。Er6曹操讀書網

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2014 年《自然》雜志報道，FTO 基因的一段序列可以與控制脂肪組織發育的基因相結合，像發動機一樣促進后者在大腦中的表達，使褐色脂肪（能 “燃燒” 的脂肪）變成白色脂肪（難以 “燃燒” 的脂肪）。如果缺失 FTO 基因，那么小鼠的白色脂肪又可重新變成褐色脂肪，體重降低 25%~30%。Er6曹操讀書網

前不久，《新英格蘭醫學雜志》又發表一篇論文指出，FTO 基因中一個堿基的不同，就能決定小鼠是胖還是瘦。具體來說，若 FTO 基因某個位置的堿基是 C 時，則會讓脂肪組織發育基因起作用，FTO 就是 “胖” 基因，產熱降低。相反，當堿基為 T 時，則會讓脂肪組織發育基因不起作用，FTO 變成 “瘦” 基因，產熱效應升高。假如將來能找到脂肪組織發育的抑制劑，那么人們既不需要增加運動量也不用改變食欲就能輕松減肥。Er6曹操讀書網

動物肥胖基因如何使植物增產？

幾十年來，面對日益不穩定的氣候和不斷增長的全球人口，科學家們一直致力于提高作物產量。2010 年何川教授首次提出 “RNA 表觀遺傳學” 概念，大膽預測在 RNA 上可能存在可逆的化學修飾，如同 DNA 和組蛋白可逆化學修飾調控基因轉錄一樣，對基因表達具有重要的調控功能。Er6曹操讀書網

2011 年，賈桂芳教授和何川教授美國芝加哥大學實驗室其他成員一起發現了第一個 RNA 化學修飾 m6A 的去修飾酶，首次揭示了 RNA 上的甲基化修飾動態可逆，對基因表達具有重要的調控功能。Er6曹操讀書網

RNA 表觀遺傳修飾 m6A 動態可逆，可以被甲基轉移酶加上、去甲基酶去除，其依賴 m6A 結合蛋白識別，調控基因表達，包括選擇性剪接、mRNA 出核、mRNA 穩定性和翻譯，同時還可以調控轉錄。Er6曹操讀書網

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m6A 不僅在動物干細胞分化、組織發育，腦記憶、免疫，疾病等具有重要調控功能。在植物體內，m6A 也是植物正常發育所必需的，在調控植物生長發育中起到重要作用。Er6曹操讀書網

于是，何川教授與賈桂芳教授便將目光放到了 FTO 上。因為鼎鼎大名的肥胖基因 FTO，不僅僅是一種肥胖調節基因，它還編碼了動物 RNA 去甲基酶，可以擦去動物 RNA 上的表觀遺傳印記。由于植物中沒有 FTO 同源蛋白，因此研究人員想嘗試將 FTO 插入到植物中，看看是否能影響植物細胞的生長。Er6曹操讀書網

隨后，研究人員將 FTO 引入糧食作物水稻和經濟作物馬鈴薯中，實現針對 RNA 修飾 m6A 去甲基。田間試驗結果表明，過表達 FTO 轉基因水稻和馬鈴薯的產量和生物量都顯著增加了約 50%。Er6曹操讀書網

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圖 | 上圖是未改良馬鈴薯的產量；下圖是帶有 RNA 修飾的馬鈴薯產量（來源：uchicago.edu）Er6曹操讀書網

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圖 | 左側是沒有經過 RNA 修飾的水稻植株；右側是一株經過 RNA 修飾，產量得到大幅提升的水稻植株（來源：uchicago.edu）Er6曹操讀書網

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進一步研究發現，過表達 FTO 可顯著促進水稻分蘗形成和根系生長，增強光合作用，并具有抗旱能力。過表達 FTO 可促進根頂端分生組織細胞的增殖，增加根長和根的數目，從而促進根系生長。而以上表型均與 FTO 去甲基能力直接相關。Er6曹操讀書網

深入研究其分子機理，研究人員發現，FTO 介導的 m6A 去甲基化可以促進染色質開放，激活轉錄，分別使葉片中約 11000 個基因和根里面約 7000 個基因表達上調，激活多個通路。這一結果也揭示染色質上 RNA m6A 甲基化對植物染色質狀態和基因表達的重要作用。Er6曹操讀書網

總體而言，本項研究開辟了全新的植物育種方向，是該領域的一項重大突破，對未來應對糧食危機，維護和改善生態體系和提供充足植物原材料提出了一種全新的技術。Er6曹操讀書網

同時，本項技術在單子葉植物水稻和雙子葉植物土豆中的成功應用，預示該技術具有一定的植物普適性。未來 RNA 表觀遺傳學改良育種新方向將有望對世界糧食作物和經濟作物生產帶來新的革命。Er6曹操讀書網

參考資料：Er6曹操讀書網

• https://www.nature.com/articles/s41587-021-00982-9
• https://news.uchicago.edu/story/rna-breakthrough-crops-grow-50-percent-more-potatoes-rice-climate-change

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