在超市的產(chǎn)品部分購物就像漫步在人類最偉大的發(fā)明博物館。完美的金黃甜玉米穗; 不同大小，形狀和顏色的西紅柿; 和辛辣的墨西哥辣椒都是人類聰明才智的證明。你可能不認(rèn)為食物是一種發(fā)明，但我們吃的幾乎所有食物都是數(shù)千年不斷繁殖和選擇的產(chǎn)物。

在遙遠(yuǎn)的過去，當(dāng)我們的祖先從狩獵采集者轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)生活方式時(shí)，他們開始通過培育他們認(rèn)為理想的特征來種植植物 - 更大，更美味的水果和更緊湊的生長。馴化作物的野生祖先與我們今天吃的食物有很大的不同：它們有較小的，有時(shí)不可食用的水果; 植物生長在一個(gè)龐大的增長模式; 他們將種子撒在地上或?qū)⒐麑?shí)倒在地上，以確保其物種的生存。說穿了，你不會(huì)想要這些野生植物在你的花園或餐盤上。

馴化過程導(dǎo)致作物人們今天成長和食用，但這是一個(gè)耗費(fèi)時(shí)間和勞動(dòng)力的過程。我們的實(shí)驗(yàn)室由Joyce Van Eck領(lǐng)導(dǎo)，希望利用現(xiàn)代基因編輯技術(shù)加速馴化地面作物的種植，這是一種半馴化的孤兒作物。孤兒作物在大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中生長不良，因?yàn)樗鼈兙哂性S多不良特征，例如蔓延生長和果實(shí)落下。

我們選擇在地面上工作，因?yàn)樗邱Z化番茄的親戚。我們對(duì)番茄遺傳學(xué)了解很多，并且能夠?qū)ⅠZ化番茄中的特定基因與野生地面中的對(duì)應(yīng)基因進(jìn)行比較，以確定需要進(jìn)行哪些編輯。我們還將當(dāng)?shù)胤N植者和農(nóng)民眾包，以了解哪些特性需要改進(jìn)，哪些特征對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最有價(jià)值。利用從種植者那里收集的這些關(guān)鍵信息，我們使用稱為CRISPR / Cas9的基因編輯技術(shù)來改善地面采集者。

一個(gè)被忽視的果實(shí)

雖然您可能無法在雜貨店找到它們，但您可能已經(jīng)在當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場看到了地面銷售商。groundcherry是tomatillo的野生親戚，就像tomatillo一樣，它的果實(shí)被包裹在紙質(zhì)果殼內(nèi)，保護(hù)果實(shí)免受破壞。稻殼內(nèi)的漿果很小 - 大理石大小 - 但提供了大的柑橘味。這些小漿果是一種抗氧化劑，維生素A，B和C以及其他營養(yǎng)素的來源，專門生長在小規(guī)模農(nóng)場和家庭菜園中。根據(jù)groundcherry的野生生長習(xí)性和小規(guī)模的水果，我們將其確定為未充分利用的作物。我們目前的研究重點(diǎn)是如何將groundcherry納入當(dāng)前的食品系統(tǒng)。

groundcherry(Physalis pruinosa)的商業(yè)生產(chǎn)幾乎不存在，這個(gè)空白至少部分歸因于植物的不規(guī)則生長。由于其龐大的分支機(jī)構(gòu)，地面需要廣泛的管理來馴服其增長。它的枝條裝飾著稻殼覆蓋的果實(shí)，落在地上，通常在成熟之前。這使得采摘水果成為勞動(dòng)密集型過程，如果水果與可導(dǎo)致食源性疾病的土壤微生物接觸，則會(huì)引起食品安全問題。

我們的地面改良項(xiàng)目的一個(gè)關(guān)鍵因素是眾包紐約州公民科學(xué)家和農(nóng)民的智慧，以確定需要改進(jìn)的地面特征或特征。不同美國農(nóng)業(yè)部耐寒區(qū)的志愿者園藝師和農(nóng)民通過種植幾種地面品種與我們合作，并提供有關(guān)開花時(shí)間，果實(shí)大小，風(fēng)味和果實(shí)落下等特征的反饋。我們使用這一關(guān)鍵反饋來改善這種結(jié)果。

馴服野生植物

為了改善作物的性狀，植物育種者在很大程度上依賴于所有生物體中發(fā)生的天然突變。這些天然突變事件改變了基因序列，從而改變了性狀，但它們很少見。在基因編輯之前，很少有工具可以加速育種過程。其中一種稱為甲磺酸乙酯(EMS)，是一種強(qiáng)效致癌物質(zhì)，用于隨機(jī)突變數(shù)千株植物的DNA。缺點(diǎn)是必須仔細(xì)評(píng)估所有突變植物，以選擇那些在育種者希望修飾的基因中具有突變的植物。

今天仍在使用的這個(gè)過程是混亂和耗時(shí)的; 沒有辦法控制哪些基因突變或不突變，篩選數(shù)千株植物需要時(shí)間。

CRISPR / Cas9是一種功能強(qiáng)大的基因編輯工具，可用于比EMS誘導(dǎo)的隨機(jī)突變更準(zhǔn)確地引起DNA突變。與其他任何技術(shù)相比，CRISPR / Cas9不是等待隨機(jī)突變或評(píng)估數(shù)千種誘變植物，而是可以加速作物的繁殖和馴化。幸運(yùn)的是，許多與馴化相關(guān)的特征，包括果實(shí)大小和生長習(xí)性，都是DNA自然突變和重排的結(jié)果，最終改變了控制這些特征的基因的功能。CRISPR / Cas9允許我們從番茄中復(fù)制這些突變并在地面上復(fù)制它們。

與冷泉港實(shí)驗(yàn)室的合作者Zach Lippman一起，我們最近在“自然植物”雜志上發(fā)表了我們第一次加速地面馴化的嘗試。我們的首要任務(wù)是馴服野生生長。

在番茄中，抑制開花的SELF PRUNING(SP)基因中的天然突變導(dǎo)致植物具有更易處理的生長。我們希望在“CRISPR”化的地面采集器中看到相同的反應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)具有突變SP的植物生長得更緊湊的結(jié)構(gòu)。具體而言，這些植物的分支比未經(jīng)編輯的對(duì)應(yīng)物短得多。這種更小的生長習(xí)性對(duì)于較大規(guī)模的農(nóng)業(yè)環(huán)境是優(yōu)選的，因?yàn)榭梢愿菀椎胤N植和收獲更緊湊的植物。

我們將另一種研究得很好的基因定位于地面，稱為CLAVATA1(CLV1)，它直接控制果實(shí)大小。在番茄中，CLV1的突變導(dǎo)致更大的果實(shí)。因?yàn)間roundcherry水果相當(dāng)小，我們嘗試通過用CRISPR / Cas9 突變CLV1來增加果實(shí)大小。

乍一看，具有突變CLV1的groundcherry植物看起來與它們未經(jīng)編輯的對(duì)應(yīng)物相同。然而，來自CLV1-突變植物的果實(shí)更大，在突變這個(gè)單一基因后重達(dá)20%。CLV1只是控制果實(shí)大小的眾多基因之一。我們期望突變更多這些基因?qū)⑹刮覀兡軌蛟诙虝r(shí)間內(nèi)創(chuàng)造更大的水果。CRISPR對(duì)植物基因(例如CLV1和SP)的過程僅需要一年左右，而傳統(tǒng)育種通常需要更多的時(shí)間和精力來實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果。

為了充分馴化和改善地面，我們計(jì)劃研究更多與特征相關(guān)的基因，這些基因?qū)⑹罐r(nóng)民成長和消費(fèi)者購買更有吸引力的作物。目前，我們專注于有可能糾正果實(shí)下降，影響果實(shí)風(fēng)味和營養(yǎng)，并進(jìn)一步增加果實(shí)大小的基因。

最終，我們?cè)O(shè)想創(chuàng)建一個(gè)更緊湊的groundcherry植物，其中含有更多，更多營養(yǎng)成分的水果，留在植物上。為此，將控制這些特性的所有基因的CRISPR / Cas9突變組合成一個(gè)單一的植物，以創(chuàng)造一個(gè)完全馴化的地面種植，值得在農(nóng)民田地和雜貨店貨架上種植。重要的是，地面植物不是唯一可以馴化的野生植物。CRISPR / Cas9幾乎可以應(yīng)用于任何植物物種，因此將來可以馴化更多的野生物種，就像我們?cè)谶@里獲得的一樣。

所以，下次你去購買雜貨時(shí)，要注意產(chǎn)品過道。感謝我們的祖先花費(fèi)了數(shù)千年的時(shí)間來發(fā)明我們今天所知的食物，并思考基因編輯如何在很短的時(shí)間內(nèi)幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。