二代Innate土豆背后的故事

二代Innate土豆背后的故事

发表于基因农业网:二代Innate土豆背后的故事

  • Simplot公司的Innate土豆

Simplot是美国的一个家族式的农业公司,它是世界上最大的冷冻薯条生产商之一,也一直在为麦当劳肯德基等大型快餐公司供应薯条。

2015年3月,Simplot的第一代Innate土豆通过了美国食品安全局(FDA)的批准,结论是和传统土豆一样安全和一样,就是说第一代Innate土豆在美国已经可以无需标注就直接上市。第一代Innate土豆可以减少运输过程中导致的淤青和黑斑,同时减少油炸后产生的致癌物质。

2015年8月,Simplot又推出了二代Innate土豆,它在增加低温储存特性的同时还增加了一个很重要的特性,对土豆晚疫病的抗性。

Simplot对于Innate土豆的研究投入很大,据说现在已经到了第四代,这些升级应该都会在完成内部田间实验后发布出来。

关于第一代Innate土豆的信息,可以参看本人知乎的答案(美国获批的转基因土豆「能减少油炸时产生的丙烯酰胺」具体是怎么实现的? - 大肠杆君的回答

  • 土豆晚疫病

土豆晚疫病是一种臭名昭著的病害,它由一种卵菌(Phytophthora infanstans)引起。它曾经在1845年到1852年造成过严重的饥荒,大约一百万人死于这场饥荒,使爱尔兰减少了四分之一的人口。所以在爱尔兰有个谚语, 世界上有两样事情不能开玩笑,爱情和土豆。在都柏林现在还有纪念这场饥荒的博物馆。


图注:都柏林几年大饥荒的雕塑

现代的栽培土豆大部分缺乏对晚疫病的抗性,但土豆起源于南美,在那里至今有超过150种的野生土豆,它们中很多就有很强的晚疫病抗性,并且其中的一些野生土豆可以和现代栽培土豆进行杂交,从而将抗性性状转移到现代栽培土豆中。植物育种家早就发现了这点,现在很多栽培土豆都已经携带有来自野生土豆的抗性基因。比如目前栽培土豆中对晚疫病抗性最强的Sarpo Mira, 就携带了至少四个主效抗性基因: R3a, R3b, R4和新发现的Rpi-Smira1「1」。


图注:这人本人2014年晚疫病田间试验,绿色的为野生土豆或者转入抗性基因的栽培土豆。感病的植物都被晚疫病杀死了。

  • 从野生土豆里寻找抗病基因

但是通过传统育种的方法将野生土豆中的性状导入栽培土豆要经过至少10年以上的努力,因为要导入目标性状的同时,还需要去除其他无关的遗传背景,保留栽培土豆的优良性状。这时候荷兰瓦赫尼根大学 (Wageningen UR)植物育种组的Evert Jacobsen教授最先提出了Cisgene的概念「2」,他提出这些物种本来就可以杂交,所以把这些可杂交野生材料里的基因导入栽培材料,这从理论来说是和传统育种一样的,但是能大幅加速育种的过程,而且可以很轻易地叠加不同材料里的不同基因。要补充一句的是,其实来自外源的转基因,只要通过严格的安全测试,也同样不会有任何安全问题,比如如今非常普遍的来自于细菌的Bt抗虫基因等。


图注: Cisgene和传统育种一样,都是将本身可杂交物种中的基因导入栽培品种。而Transgene是将其他物种中的基因转入目标物种,比如图中所示就是将细菌中的基因转入苹果。

这个Cisgenic的概念就是Simplot公司Innate土豆的基础,第一代土豆就是转入了土豆本身的small RNA序列, 通过抑制土豆中相关基因的表达从而达到减少淤青以及减少油炸后致癌物质的产生。

  • 抗病基因背后的故事

而二代Innate土豆的抗性来自于一个叫Rpi-vnt1.1的基因,这个基因来自一个野生的土豆品种Solanum venturii, 说起这个基因的克隆还有些故事,曾经有两个组同时在找这个基因,一个是荷兰瓦赫尼根大学Edwin A.G. Van der Vossen的研究组,还有英国Sainsbury实验室的Jonathan D.G. Jones,最开始的时候两个组还是合作的关系,还经常互换分子标记以加速研究进展,最后却发现两个人要找的竟然是同样的基因......最终这个研究成果在2009年的时候以“背靠背”的形式同时发表在MPMI杂志上「3」「4」。

在很多田间试验中都已经证明,这个基因对晚疫病的田间抗性非常显著「5」,其在育种上的应用其实也已经被其他公司进行过,比如德国巴斯夫的农业部门(BASF),但是因为欧盟对于转基因的政策过于保守,这些项目只得搁浅。

从cisgenic,到克隆这些抗病基因都是欧洲人完成的,但是最后这些研究成果却只能去造福美国人民,也难怪英国的Jonathan Jones院士在Twitter上感慨:


Reference:

1. Rietman H, Bijsterbosch G, Cano LM: Qualitative and quantitative late blight resistance in the potato cultivar Sarpo Mira is determined by the perception of five distinct RXLR effectors. Molecular Plant 2012.

2. Schouten HJ, Krens FA, Jacobsen E: Cisgenic plants are similar to traditionally bred plants. EMBO reports 2006, 7:750–753.

3. Pel MA, Foster SJ, Park T-H, Rietman H, van Arkel G, Jones JDG, Van Eck HJ, Jacobsen E, Visser RGF, van der Vossen EAG: Mapping and Cloning of Late Blight Resistance Genes from Solanum venturii Using an Interspecific Candidate Gene Approach. dxdoiorg/101094/MPMI-22 2009.

4. Foster SJ, Park T-H, Pel M, Brigneti G, ŚLIWKA J, Jagger L, van der Vossen E, Jones JDG: Rpi-vnt1.1, a Tm-22 Homolog from Solanum venturii, Confers Resistance to Potato Late Blight. dxdoiorg/101094/MPMI-22 2009.

5. Jones JDG, Witek K, Verweij W, Jupe F, Cooke D, Dorling S, Tomlinson L, Smoker M, Perkins S, Foster S: Elevating crop disease resistance with cloned genes. Philos Trans R Soc Lond, B, Biol Sci 2014, 369:20130087–20130087.

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