Nature Plants | 超孟德尔遗传？中科院遗传发育所钱文峰团队开发植物基因驱动工具

责编 | 王一

孟德尔遗传定律指出二倍体生物的两个等位基因会“公平竞争“，即各自以50%的概率传递给到配子（精子或卵）。然而，在基因组中存在着一类特别自私的基因或遗传元件，它们并不遵守这一规则，能够通过一些“特殊手段”以高于50%的概率传递给后代，实现“超孟德尔遗传”。即使它们在基因组中的存在对生物体不利，也可以突破达尔文自然选择规律的限制，在群体中扩散。它们被称为基因驱动（gene drive）元件。

天然的基因驱动元件广泛存在于各物种中，从真菌、昆虫和脊椎动物到单、双子叶植物均有报道，且实现超孟德尔遗传的机制多种多样【1】。例如，有些基因驱动元件会利用雌性减数分裂过程的不对称性，使得自身优先进入最终传代的卵细胞而非极体。亦或是在雄性减数分裂过程中通过“杀死”不携带基因驱动的雄配子的方式，实现自身的超孟德尔遗传。

受天然基因驱动元件的启发，人工基因驱动（synthetic gene drive）被提出【2】，被认为是解决各种生态问题的有力工具。人工基因驱动元件可以携带着功能基因在群体中扩散，从而实现群体水平的基因改造（population modification）。或者人工基因驱动元件还可以插入并破坏育性相关基因，实现种群数量抑制（population suppression）。基因驱动技术在蚊子中的应用进展尤为显著，如通过基因驱动引入致死/不育基因或者抗疟基因【3，4】，改变野生蚊子的遗传特征和群体大小，减少疟疾等疾病的传播。

将目光转向植物领域，面对农业杂草带来的粮食安全威胁以及入侵植物导致的环境危机等多样化挑战，对野生植物群体进行遗传改造或种群数量抑制同样是一种潜力巨大的、革命性策略。由于我们试图引入的植物性状（如对除草剂的敏感性等）往往对植物本身是不利的，受限于经典的孟德尔遗传和达尔文选择作用，这些性状无法在目标种群中自然扩散开来，而人工合成的基因驱动工具则为改造野生植物种群提供了潜在解决方案。目前，植物中的人工合成基因驱动工具尚未见报道。

2024年6月17日，中国科学院遗传与发育生物学研究所钱文峰团队在Nature Plants发表了题为Overriding Mendelian inheritance in Arabidopsis with a CRISPR toxin-antidote gene drive that impairs pollen germination的研究论文，报道了一种名为CAIN（CRISPR-Assisted Inheritance utilizing NPG1）的植物人工基因驱动系统。

该系统基于“毒药-解药”机制，实现超孟德尔遗传。具体而言，CRISPR/Cas9靶向切割花粉萌发所必需的基因NPG1（No Pollen Germination 1），作为毒药阻止花粉萌发；重新编码的、不被CRISPR/Cas9切割的NPG1拷贝作为解药，为携带基因驱动元件的花粉回补正常萌发所需的基因功能。虽然基因驱动工具的实际应用对象为野外异交繁殖的物种，但为了保证工具开发过程中的生物安全，研究人员选用了自交繁殖的拟南芥作为材料。结果显示，该携带CAIN的植株作为父本在连续两个与野生型植株的杂交世代中表现出了显著的超孟德尔遗传现象（88-99%，远高于期望比例50%）。CAIN的成功开发有望为控制杂草数量以及保护植物多样性等提供技术支持，为应对农业和生态挑战开辟了新的方向。

图1：基因驱动工具CAIN的设计原理及其超孟德尔遗传方式

钱文峰研究组博士后刘洋为论文第一作者，钱文峰研究员为通讯作者，研究组博士研究生焦丙可和北京大学的Jackson Champer研究员也参与了该项工作。该研究得到了中国科学院战略性先导专项和中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划的资助。

参考文献：

1 Zanders, S. E. & Unckless, R. L. Fertility costs of meiotic drivers. Curr. Biol. 29, R512-R520 (2019).

2 Burt, A. Site-specific selfish genes as tools for the control and genetic engineering of natural populations. Proc Biol Sci 270, 921-928, doi:10.1098/rspb.2002.2319 (2003).

3 Gantz, V. M. et al. Highly efficient Cas9-mediated gene drive for population modification of the malaria vector mosquito Anopheles stephensi. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112, E6736-E6743 (2015).

4 Hammond, A. et al. A CRISPR-Cas9 gene drive system targeting female reproduction in the malaria mosquito vector Anopheles gambiae. Nat. Biotechnol. 34, 78-83, doi:10.1038/nbt.3439 (2016).

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-024-01692-1