利用“基因驱动”消除病原体的毒性，高彩霞评论为不切实际！頭條網

2021-04-01 11:26:48 佚名

小麦赤霉病（Fusarium head blight，FHB）是由禾谷镰刀菌引起的世界性病害，在生产中造成小麦产量和品质的显著降低。小麦感染赤霉病菌产生的脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）等毒素严重危害人体健康，给小麦为主的食品安全带来很大隐患。此外，已有研究表明，小麦对赤霉病抗性的种质资源很少，未发现免疫材料。因此，小麦赤霉病被称为小麦“癌症”，也是农业领域的世界性难题。

2019年11月22日，bioRxiv预印本杂志在线发表了来自澳大利亚联邦科学与工业研究组织Kemal Kazan课题组题为“Natural gene drives offer potential pathogen control strategies in plants”的研究论文。该研究通过基因驱动技术将小麦禾谷镰刀菌中的三个致病基因在第三代菌群中给消除了，表明基因驱动技术是控制植物病原体的潜在工具。

此外，介于该文章提出的新概念，Science杂志在线发表了题为“Controversial ‘gene drive’ could disarm deadly wheat pathogen”的评论文章。该文认为

基因驱动（gene drive）是一个能够快速将特定性状扩散到群体中去的系统。通常，有性生殖生物中的基因被遗传的机率平均为50％，但是有些基因在繁殖的过程被遗传的概率相比普通基因要超过50%。因此，这些基因就可以很容易在群体中散播，即使它们可能导致个体的适应性下降。通过这些基因的遗传“偏向性”，基因驱动在理论上可将这些人为改造的基因散播到野生群体中。而这些改造可以包括基因的增添、破坏或者修饰，也可以包括减少个体的生育能力从而可能导致整个物种的毁灭。

基因驱动受到两个基本限制。首先，驱动器仅在有性繁殖物种中起作用，因此它们不能用于工程化病毒或细菌种群。第二，新释放的驱动器通常需要数十代才能影响相当一部分目标群体。至关重要的是，在实验室外使用该技术成为现实之前，必须对其进行持续评估。

近年来，“基因驱动”成为生物学界的新兴热门研究领域之一，通过结合CRISPR基因编辑技术可以研发出人工“基因驱动”系统，并在酵母、果蝇和蚊子中证实可实现外部引入的基因多代遗传。

图1. Spread of homing drives

引起小麦赤霉病的禾谷镰刀菌是一种同型真菌，会经历自交和异源杂交。在自然界中，两种繁殖方式都已知会发生，那么是否可以通过基因驱动技术消除该菌生产脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）等毒素并降低其传染力呢？

该研究首次通过使用基因驱动来控制植物中的病原体。首先建立了一个基因驱动系统，由真菌中天然基因驱动元件家族Spok1，替换禾谷镰刀菌产生DON所需的基因簇TRI的三个相邻基因（TRI4，TRI5和TRI6），来测试Spok1充当禾谷镰刀菌异源减数分裂畸变的能力，研究表明Spok1的驱动效率为90％多，说明能在禾谷镰刀菌中起作用，但是crispr系统不能起作用。

进一步研究表明，在该杂交的第一代中，50个回收的后代中有16个具有重组基因型。其中有15个继承了ΔTRI465Spok1-HYG等位基因，相当于驱动效率约为94％。在第二代中，所有具有非亲本基因型的菌株均携带ΔTRI465Spok1-HYG。到第三代时，采样菌株没有包含亲本基因型。相反，ΔTRI465Spok1-HYG在种群中固定。

此外，基因驱动器的应用可能带来意想不到的风险，因此需要天然的基因组防御（重复诱导的点突变）用于失活基因驱动器。重复诱导点突变（RIP）是一种在许多性真菌中起作用的天然基因组防御机制。RIP会导致基因组中任何位置重复序列大于约400 bp的C→T突变。因此，该研究也同样构建了通过交叉携带两个分别设计的Spok1序列的两个驱动菌株来替代TRI465和ABC1位点，预期RIP突变会在随后的性周期（自交或异源杂交）中发生，直到两个重复的Spok1序列之间的同源性降至80％以下，因此该系统提供使Spok1功能在几代人中逐渐丧失的系统。