中国科学院CRISPR/Cas9技术助力环保型作物开发

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近日，中国科学院分子植物卓越创新中心陈栩团队在《发育细胞》期刊发表重要研究成果，揭示了大豆根瘤细胞分区和活性的调控机制。这一突破性进展不仅深化了我们对植物共生固氮的理解，更为培育高固氮效率的大豆新品种提供了新的可能。

根瘤菌与豆科植物共生形成的根瘤，能够将大气中的游离氮转化为植物可吸收的氨或其他氮化合物，为大豆全生长周期提供60-70%的氮素来源。根瘤的发育过程分为不定型根瘤和定型根瘤两种类型，其主要区别在于是否存在细胞分区以及是否具有持续活跃的顶端分生组织。

陈栩团队通过细胞染色、三维模拟根瘤细胞结构以及透射电镜观察等方法，对大豆根瘤进行了细致分析。研究发现，尽管传统认为定型根瘤不存在分区，但事实上它们也具有类似于不定型根瘤的分区结构：皮层区、前侵染区、侵染区以及固氮区。其中，前侵染区是细胞分裂旺盛的区域，生长素含量较高。

研究团队进一步发现，生长素浓度梯度是控制大豆根瘤分区的主要因素。高浓度的生长素维持前侵染区的干细胞活性，抑制细胞分化为固氮区细胞。GRETCHEN HAGEN 3 (GH3) 酰基酰胺合成酶介导生长素从活性的游离态形式转变为非活性的螯合态，是控制前侵染区和侵染区分化为固氮区的核心基因。

通过CRISPR-Cas9基因编辑技术敲除GH3基因后，获得的gh3四突突变体的根瘤表现出高生长素水平和增厚的前侵染区，导致根瘤细胞分化和成熟受阻，固氮酶活性下降。这一发现揭示了NIN2a-GH3-生长素分子模块在控制定型根瘤分区中的关键作用。

与此同时，科尔多瓦大学分子生理学和植物生物技术小组也利用CRISPR/Cas9技术在豆类植物研究中取得重要突破。研究团队聚焦于豆类中腺嘌呤的代谢，发现编码腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRT）的基因存在4个不同的拷贝。

通过CRISPR/Cas9基因编辑技术，研究团队成功实现了两个相关基因的功能突变体的创造。研究发现，其中一个基因拷贝确实影响腺嘌呤的循环，而另一个则在调节细胞分裂素方面发挥重要作用，细胞分裂素是一种负责植物根和根瘤生长的关键激素。

这一发现不仅揭示了豆类植物中腺嘌呤代谢的复杂性，也为理解根瘤形成和氮代谢提供了新的视角。由于豆类对传统转化方法的抵抗力，CRISPR/Cas9技术的应用为研究这类重要作物的基因功能提供了强有力的工具。

这些研究进展对农业可持续发展具有重要意义。豆科植物的共生固氮能力是减少化学氮肥使用、降低环境污染的关键途径。通过CRISPR/Cas9技术，科学家能够更精确地调控根瘤发育和固氮效率，为培育高固氮能力的大豆新品种提供了新的可能。

未来，随着CRISPR/Cas9技术的不断发展和完善，我们有望看到更多创新性的应用。例如，通过基因编辑改良作物的抗逆性、优化作物的产量和品质，以及提高植物对气候变化的适应能力。这些技术进步将为解决全球粮食安全问题、推动农业可持续发展提供强有力的科技支撑。

2025年国家自然科学基金的申请指南中，植物科学领域的研究热点包括植物抗逆性、作物高产优质性状的遗传调控、气候变化下的植物适应性进化等。这表明，CRISPR/Cas9技术在植物科学研究中的应用前景广阔，有望在多个领域取得突破性进展。

通过这些前沿研究，我们不仅能够更好地理解植物生长发育的复杂机制，还能够为农业生产提供更加精准和高效的解决方案。CRISPR/Cas9技术正在为植物科学研究开启新的篇章，为实现农业可持续发展和保障粮食安全注入新的科技动力。