隨著世界人口的快速增長，至2050年糧食產(chǎn)量需要再增加50%才能完全滿足需求，如何進一步提高作物產(chǎn)量是亟待解決的嚴(yán)峻問題。加之近年來全球氣候變暖、土地干旱半干旱加劇、極端天氣等也給糧食安全帶來巨大挑戰(zhàn)。與此同時，土地沙漠化和荒漠化嚴(yán)重，對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)文明的同時能提供更多的植物原材料也是亟待解決的問題。我國科學(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，但依然迫切需要新技術(shù)應(yīng)對未來的糧食挑戰(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)控植物生長發(fā)育及刺激響應(yīng)的分子機制，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），推動了植物RNA表觀遺傳學(xué)的研究。

 

　　7月22日，該課題組與美國芝加哥大學(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)，通過調(diào)節(jié)RNA表觀遺傳修飾m6A水平可促進植物生長，提高作物產(chǎn)量和生物量，作為首個糧食增產(chǎn)的表觀遺傳育種新技術(shù)，未來有望推進我國農(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（哺乳動物體內(nèi)的RNA去甲基化酶）來調(diào)控m6A水平。田間試驗結(jié)果表明，過表達FTO的水稻和土豆的產(chǎn)量與生物量都顯著增加了約50%。進一步研究發(fā)現(xiàn)，過表達FTO可顯著促進水稻分蘗形成和根系生長，增強光合作用效率和抗旱能力。FTO可特異性增強根頂端分生組織細胞的增殖，增加根長和根的數(shù)目，從而促進根系生長。深入研究其分子機理發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TO介導(dǎo)的m6A去甲基化可以促進染色質(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，實現(xiàn)糧食增產(chǎn)。此外改造后的植物根系發(fā)達，有望更加適應(yīng)抗旱、抗逆等環(huán)境，未來該技術(shù)有望應(yīng)用于森林草原生態(tài)修復(fù)問題。

 

　　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。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目、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。該研究大田實驗得到中科院遺傳所李家洋院士課題組幫助。