CRISPR技术有助于揭示豆类基因如何改善固氮作用

豆类是饮食中的关键食物，具有很高的营养价值，是最直接消费的豆类。它们在这一领域也有一种“超级大国”：它们能够将氮固定在土壤中，因此它们减少了对氮肥（及其相关污染）的需求，也减少了对种植它们的作物的需求

然而，对豆类植物的深入研究受到一个问题的阻碍：它对遗传转化具有高度抗性。因此，当研究团队想要了解他们的基因的功能或它们的行为时，他们无法产生突变体或修饰植物来沉默或表达他们想要研究的基因

这就是科尔多瓦大学分子生理学和植物生物技术小组在着手辨别这种作物中嘌呤核苷酸（如腺嘌呤）代谢时所面临的情况。腺嘌呤是DNA和RNA中始终存在的5种含氮碱基之一。

尽管在所有生物体中都具有决定性作用，但它们在豆类中更为重要，因为它们在根瘤中固定的氮的同化中起着至关重要的作用。因此，研究人员Josefa Muñoz-Alamillo和Cristina María López专注于研究在固氮循环中专门用于腺嘌呤再循环的酶（腺嘌呤磷酸核糖基转移酶-APRT），并发现，尽管这种酶具有单一功能（腺嘌呤再循环），但编码它的基因有4个不同的拷贝。然而，为了确定四个如此相似、几乎相同的基因拷贝的不同功能，有必要在植物中进行测试，除了他们想要探索其功能的基因外，其余基因都被沉默了，反之亦然，由于豆类对转化的抵抗力，这是非常困难的

穆尼奥斯说：“因此，我们决定使用CRISPR/Cas9工具，通过该工具，我们实现了对与根中核苷酸循环相关的两个基因的基因编辑。”

因此，基于CRISPR/Cas9遗传剪刀的系统的开发，在2020年获得了诺贝尔化学奖，使得编码这种循环腺嘌呤的酶的基因的两个拷贝的两个功能突变体的创建成为可能，并分别表征了它们的功能

穆尼奥斯说：“我们发现其中一种确实会影响腺嘌呤的循环，但另一种在细胞分裂素的调节中起着至关重要的作用，细胞分裂激素是负责植物根系和根瘤生长的激素之一。”

基因表达分析和代谢组学分析表明，尽管这两个基因拷贝具有冗余功能，但它们也有特定的分化功能，这是迄今为止未知的。而且，由于它们的相似性，以及豆类对其他传统方法的抗性，使用CRISPR/Cas9（几乎不用于豆类）是至关重要的

分析还表明，基因的位置不同，并参与了其功能的特化；一种在叶绿体（负责光合作用的细胞器官）中表达，另一种在细胞质（细胞器和细胞核浸没在其中的水性部分）中表达

发表在《实验植物学杂志》上的这些进展构成了有史以来对豆类腺嘌呤代谢最深入的研究，揭示了两个基因之间的功能分化，这两个基因产生腺嘌呤再循环的关键酶，并影响结节的形成和氮的代谢，这也是CRISPR/Cas系统的一个新颖之处

研究人员表示，第一步是描述其他两个相关基因的功能，这两个基因显然可能具有其他功能，如调节根系生长和抗旱性，并继续应用这一强大的工具 More information: Cristina Mª López et al, CRISPR/Cas9 editing of two adenine phosphoribosyl transferase coding genes reveals the functional specialization of adenine salvage proteins in common bean, Journal of Experimental Botany (2024). DOI: 10.1093/jxb/erae424

Journal information: Journal of Experimental Botany,