随着世界人口的快速增长，至2050年粮食产量需要再增加50%才能完全满足需求，如何进一步提高作物产量是亟待解决的严峻问题。加之近年来全球气候变暖、土地干旱半干旱加剧、极端天气等也给粮食安全带来巨大挑战。与此同时，土地沙漠化和荒漠化严重，对大自然和人类健康的危害也在日益加剧，如何打造“山水林田湖草”的整体生态文明的同时能提供更多的植物原材料也是亟待解决的问题。我国科学家在传统作物杂交育种和新分子育种提高作物产量方面作出巨大贡献，但依然迫切需要新技术应对未来的粮食挑战、森林草原修复和提供足够的植物原材料等问题。
北京大学化学与分子工程学院贾桂芳研究员课题组致力于研究RNA甲基化修饰N6-甲基腺嘌呤（m6A）调控植物生长发育及刺激响应的分子机制，绘制了植物拟南芥和玉米的m6A全转录图谱（Nature Communications 2014；Plant Physiology 2020），鉴定和解析了植物拟南芥中m6A去修饰酶ALKBH10B和m6A结合蛋白ECT2、CPSF30-L的生物功能（Plant Cell 2017, 2018; Molecular Plant 2021；Nature Communications 2021），推动了植物RNA表观遗传学的研究。
7月22日，该课题组与美国芝加哥大学何川教授课题组、贵州大学宋宝安院士合作，共同在Nature Biotechnology发表题为“RNA demethylation increases the yield and biomass of rice and potato plants in field trials”的研究论文。该研究发现，通过调节RNA表观遗传修饰m6A水平可促进植物生长，提高作物产量和生物量，作为首个粮食增产的表观遗传育种新技术，未来有望推进我国农业技术发展。
该研究在单子叶植物水稻和双子叶植物土豆中引入FTO（哺乳动物体内的RNA去甲基化酶）来调控m6A水平。田间试验结果表明，过表达FTO的水稻和土豆的产量与生物量都显著增加了约50%。进一步研究发现，过表达FTO可显著促进水稻分蘖形成和根系生长，增强光合作用效率和抗旱能力。FTO可特异性增强根顶端分生组织细胞的增殖，增加根长和根的数目，从而促进根系生长。深入研究其分子机理发现，FTO介导的m6A去甲基化可以促进染色质的开放，激活转录，尤其是表型相关基因的转录。
该研究开发了一种革新的、具有普适性的表观遗传编辑育种技术，用于培育高产高生物量的优良品种，实现粮食增产。此外改造后的植物根系发达，有望更加适应抗旱、抗逆等环境，未来该技术有望应用于森林草原生态修复问题。
FTO对水稻品种日本晴（Nipp）的改造
FTO对马铃薯品种鄂薯3号（EM3）的改造
贾桂芳课题组博士后喻琼（作物RNA修饰研究）、芝加哥大学何川课题组博士后刘顺（生物信息学分析）为该论文的共同第一作者。贾桂芳、何川和宋宝安为该论文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划项目、北京市自然科学基金、北京光元立方生物技术有限公司和钟子逸教育基金的资助。该研究大田实验得到中科院遗传所李家洋院士课题组帮助。
日期：2021-07-27
