近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所抗病蟲作物生態(tài)安全評(píng)價(jià)與利用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過轉(zhuǎn)錄組高通量測(cè)序及生物信息學(xué)分析，將轉(zhuǎn)錄組多樣性參數(shù)應(yīng)用于生物育種作物對(duì)非靶標(biāo)生物的安全評(píng)價(jià)體系，建立了一種基于轉(zhuǎn)錄組穩(wěn)態(tài)的生物育種作物對(duì)非靶標(biāo)生物影響的安全性定量評(píng)價(jià)方法，推動(dòng)了生物育種作物在我國(guó)的安全性應(yīng)用。該成果以“Using Transcriptome Diversity to evaluate the Off-Target Effects of miRNA-Mediated Transgenic Rice”為題發(fā)表在Journal of Agricultural and Food Chemistry國(guó)際期刊上。
生物育種是現(xiàn)代生物技術(shù)的核心內(nèi)容，生物育種作物對(duì)非靶標(biāo)生物影響評(píng)估是環(huán)境安全評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一。雖然生物育種作物對(duì)非靶標(biāo)生物安全性的評(píng)價(jià)技術(shù)體系已較為完善，但仍存在以下局限性：1）方法適配性不足：現(xiàn)有技術(shù)體系主要通過毒理生測(cè)、適合度參數(shù)及生理生化指標(biāo)測(cè)定等系統(tǒng)評(píng)估生物育種作物對(duì)非靶標(biāo)生物的影響，其核心假設(shè)為Bt蛋白的毒力作用機(jī)制。隨著RNAi、基因編輯、新基因、新性狀等新型生物育種作物的不斷涌現(xiàn)，其作用機(jī)制與Bt蛋白存在本質(zhì)差異，沿用傳統(tǒng)方法可能導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果有較大偏差或關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)遺漏；2）檢測(cè)效率與精度缺陷：毒理生測(cè)、適合度參數(shù)及生理生化指標(biāo)測(cè)試所需周期長(zhǎng)，對(duì)非靶標(biāo)生物飼養(yǎng)和毒理生測(cè)體系穩(wěn)定性要求較高；基于存活率、產(chǎn)卵量、羽化率等多個(gè)適合度指標(biāo)綜合判斷“是否存在顯著差異”，沒有統(tǒng)一量化指標(biāo)；毒理生測(cè)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)非靶標(biāo)生物的生理生化指標(biāo)產(chǎn)生顯著差異時(shí)，一般其已受到顯著影響，即毒理生測(cè)的檢測(cè)靈敏度存在較大局限。
針對(duì)這些局限性，本研究進(jìn)行了深入探索，提出了一種基于轉(zhuǎn)錄組穩(wěn)態(tài)的生物育種作物對(duì)非靶標(biāo)生物影響的安全性定量評(píng)價(jià)方法。以RNAi抗蟲水稻轉(zhuǎn)化體Csu260-16及其對(duì)照親本中花11為研究材料，以RNAi水稻的靶標(biāo)害蟲二化螟及其非靶標(biāo)植食性害蟲稻縱卷葉螟為研究對(duì)象，收集取食RNAi水稻不同時(shí)間的二化螟和稻縱卷葉螟幼蟲，進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組高通量測(cè)序及生物信息學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上計(jì)算轉(zhuǎn)錄組多樣性參數(shù)：包括信息熵（Shannon Entropy, Hj）、標(biāo)準(zhǔn)化信息熵（Normalized Shannon entropy, Hs）及KL散度（Kullback-Leibler Divergence, Dj），進(jìn)而定量評(píng)估生物育種作物對(duì)非靶標(biāo)生物的潛在影響。研究結(jié)果顯示，單參數(shù)分析不能全面反映生物育種作物對(duì)非靶標(biāo)生物在基因表達(dá)水平方面的潛在影響，而信息熵、標(biāo)準(zhǔn)化信息熵與KL散度相結(jié)合，能更全面、更靈敏的捕捉到非靶標(biāo)生物基因表達(dá)水平上的細(xì)微變化，從而預(yù)測(cè)生物育種作物潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。
該研究引入了標(biāo)準(zhǔn)化信息熵，計(jì)算過程中加入轉(zhuǎn)錄組總量歸一化因子，有效消除物種間轉(zhuǎn)錄本總量差異帶來的系統(tǒng)性偏差，對(duì)不同物種間的轉(zhuǎn)錄組概率分布進(jìn)行了比較。因此，該研究不僅適用于單一物種的評(píng)估，還能夠用于跨物種間的安全評(píng)價(jià)，拓寬了其應(yīng)用范圍。該研究將3個(gè)轉(zhuǎn)錄組多樣性參數(shù)組合應(yīng)用，能夠更全面、更靈敏地檢測(cè)抗蟲作物對(duì)非靶標(biāo)生物的潛在影響。該方法不僅局限于RNAi抗蟲作物，同時(shí)也適用于其他類型的抗蟲生物育種作物，進(jìn)一步擴(kuò)大了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法通常只能給出綜合定性的評(píng)估結(jié)果，如“存在顯著差異”或“無顯著差異”，而本研究通過計(jì)算轉(zhuǎn)錄組多樣性參數(shù)數(shù)值，確定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)閾值，為非靶標(biāo)生物環(huán)境安全性評(píng)價(jià)提供了科學(xué)的定量化評(píng)價(jià)方法與技術(shù)。
中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所為論文的第一完成單位，博士后陳耕、陳俊杰碩士（已畢業(yè)）與溫寧碩士（已畢業(yè)）為論文第一作者，楊曉偉副研究員、浙江大學(xué)李飛教授、韓蘭芝研究員為論文通訊作者。南京環(huán)境科學(xué)研究所劉來盤副研究員參與研究工作。該研究得到生物育種重大專項(xiàng)—環(huán)境安全評(píng)價(jià)支撐項(xiàng)目（2023ZD04062）的資助。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jafc.4c11433
