特拉维夫大学的研究人员首次开发出一种基因组规模的技术，可以揭示基因和性状在植物中的作用，这些基因和性状以前被功能冗余所隐藏。
研究人员指出，自农业革命以来，人类通过创造遗传多样性改良了用于农业目的的植物品种。但直到最近的发展，才有可能检查单个基因的功能，这些基因仅占基因组的20%。对于其余80%的基因组，由按家族分组的基因组成，没有有效的方法在整个基因组的大规模上确定它们在植物中的作用。
由于这一独特的发展，研究人员团队设法分离并识别出数十个迄今为止一直被忽视的新特征。这一发展有望彻底改变农作物的改良方式，因为它可以应用于大多数作物和农业特性，例如增加产量和抗旱或抗虫害。
该研究由博士后胡扬杰博士在特拉维夫大学Wise生命科学学院植物科学与食品安全学院的EilonShani教授和ItayMayrose教授的指导下完成。来自法国、丹麦和瑞士的科学家也参与了这项发表在《自然植物》杂志上的研究。
作为研究的一部分，研究人员团队使用创新的基因编辑技术“CRISPR”以及生物信息学和分子遗传学领域的方法，开发了一种新方法来定位负责植物特定性状的基因。
Shani教授说，“几千年来，自农业革命以来，人类一直在通过促进遗传变异来改良不同的农业植物品种。但直到几年前，还不可能有针对性地进行基因干预，而只能识别和促进随机创造的理想性状。基因编辑技术的发展现在可以对大量植物进行精确的改变。”
研究人员解释说，尽管CRISPR等基因编辑技术得到了发展，但仍存在一些限制其在农业中应用的挑战。其中之一是需要尽可能准确地确定植物基因组中的哪些基因负责培养特定的所需性状。应对这一挑战的公认方法是产生突变，即以不同方式修饰基因，然后检查植物性状因DNA突变而发生的变化，并从中了解基因的功能.
因此，例如，如果一种植物长出了更甜的果实，就可以得出结论，改变的基因决定了果实的甜度。这种策略已经成功使用了几十年，但它有一个根本问题：番茄或水稻等普通植物大约有30,000个基因，其中约80%不是单独起作用，而是归入具有相似基因的家族中。
因此，如果来自某个基因家族的单个基因发生突变，则很有可能来自同一家族的另一个基因(实际上是与突变基因非常相似的副本)会代替突变基因掩盖表型。由于这种称为遗传冗余的现象，很难在植物本身产生变化并确定基因的功能及其与特定性状的联系。
目前的研究试图通过使用一种称为CRISPR的创新基因编辑方法找到解决遗传冗余问题的方法。Mayrose教授说，“CRISPR方法基于一种在细菌中天然存在的称为Cas9的酶，其作用是切割外源DNA序列。因此该酶可以关联一个sgRNA序列，该序列识别该酶需要切割的DNA序列.这种基因编辑方法允许我们设计不同的sgRNA序列，使Cas9能够切割几乎任何我们想要改变的基因。我们想应用这种技术来提高对植物产生突变的控制，以达到农业改良的目的，特别是克服遗传冗余造成的共同限制。”
在第一阶段，生物信息学研究是在计算机上进行的，与该领域的大多数研究不同，该研究最初涵盖了整个基因组。研究人员选择将重点放在拟南芥植物上，该植物在许多研究中被用作模型，具有大约30,000个基因。首先，他们识别并分离出大约8,000个单独的基因，这些基因没有家族成员，因此在基因组中没有拷贝。剩余的22,000个基因被分成家族，并为每个家族适当的sgRNA序列进行计算设计。
每个sgRNA序列都旨在将Cas9切割酶引导至表征整个家族的特定基因序列，目的是在所有家族成员中产生突变，使这些基因不再相互重叠。通过这种方式构建了一个总计约59,000个sgRNA序列的文库，其中每个sgRNA本身能够同时修改每个基因家族中的2到10个基因，从而有效地消除了遗传冗余现象。
此外，根据基因的假定作用(例如编码酶、受体、转录因子等)，sgRNA序列被分成十个子库，每个子库大约有6,000个sgRNA序列。据研究人员称，建立文库使他们能够集中精力并优化对产生所需性状的基因的搜索，这种搜索到目前为止基本上是随机的。
下一步，研究人员从计算机转移到实验室。在这里，他们生成了通过计算方法设计的所有59,000个sgRNA序列，并结合切割酶将它们设计成新的质粒文库(即环状DNA片段)。然后，研究人员培育出数千株包含这些文库的新植物——每株植物都被植入了针对特定基因家族的单个sgRNA序列。
研究人员观察了基因组修饰后植物表现出的特征，以及在特定植物中观察到有趣的表型时的特征。根据插入其中的sgRNA序列，很容易知道哪些基因导致了这种变化。
此外，通过对已识别基因的DNA测序，可以确定导致变化的突变的性质及其对植物新特性的贡献。通过这种方式，绘制了许多新的性状，这些性状直到现在由于遗传冗余而被阻止。具体来说，研究人员确定了特定的蛋白质，这些蛋白质包含与激素细胞分裂素的运输相关的机制，这对于植物的最佳发育至关重要。
Shani教授说：“我们开发的新方法有望对理解植物过程的基础研究有很大帮助，但除此之外，它对农业也具有巨大意义：它可以高效、准确地揭示植物的基因库。负责我们寻求改善的性状的基因——例如抗旱、抗病虫害或提高产量。我们相信这是农业的未来：大规模有控制和有针对性的作物改良。今天我们正在应用该方法我们开发的水稻和番茄植物取得了巨大成功，我们也打算将其应用于其他作物。”