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基因驱动系统能否在农业杂草管理中发挥作用?


  第三种自我限制昆虫种群压制方法被称为“昆虫不相容技术”。此方法的精确机制未知。在自然界,蚊等昆虫感染Wolbachia 后,与其形成稳定的共生关系,并能将这种共生菌传递给后代,其中感染该菌的雄蚊与自然界未感染Wolbachia 的雌蚊交配,产的卵不能正常发育,这种现象称为胞质不相容性。利用此规律用Wolbachia 侵染蚊,把感染Wolbachia的雄蚊释放到自然环境中与未被侵染的雌虫交配,来防治蚊,预防蚊媒传播疾病。这种既不需辐射处理也不是通过转基因方法获得的可大量释放的被侵染雄虫可作为替代性防治策略。当Wolbachia 被用于自我限制种群防治时,释放仅被侵染的雄虫非常重要,因为被侵染雌雄虫交配产生的卵可以正常发育。在一些笼式试验和小规模田间试验中,研究了昆虫不相容技术控制疾病传播介质库蚊和伊蚊的效果。

  1.1.2 自我维持机制

  设计自我维持、直接操纵害物基因组的基本挑战为适合度降低的基因在广泛分散的野生种群中扩散。根据孟德尔遗传定律,这些新颖等位基因因适合度低其在种群中扩散会受限制,在一定时期内低频率维持,最终在种群中消失。然而,违背孟德尔遗传“规则”的一些遗传机制的发现使修饰基因在害物基因组中有可能扩散。

  “基因”或“减数分裂”驱动的天然进化机制已被广泛地介绍过。最早被公认的基因驱动系统之一是Wolbachia 侵染在种群中扩散细胞质不相容等显性基因。在Wolbachia 侵染的雄虫存在的情况下,未被侵染雌虫与其交配产生不育后代,因此被侵染雌虫的适合度大。增加可繁殖后代中Wolbachia 的频率,有效驱动种群中Wolbachia 的扩散,会导致交配成功率大大下降。

  在减数分裂过程中破坏X 染色体,Y 驱动系统也可能使昆虫种群的性别比率偏离正常。对于埃及伊蚊,与Y 染色体有关的分离变相因子在天然种群中被80%~90%遗传给后代。可移动转座原件是在害物基因组中引入和扩散新颖基因序列的另一方式。如果能通过昆虫基因工程技术把适合度降低的基因嵌入转座子,那么此基因就能够在害物种群中扩散。甲壳虫、真菌和植物天然进化有另一自私遗传原件Medea 基因。Medea 系统能引起携带Medea 原件个体和敏感个体之间交配产生的所有卵死亡,除了固有Medea 原件的个体。

  多样性基因驱动系统的存在有希望被实际应用,模型研究表明这些方法有潜力成功压制害物种群和限制昆虫媒介疾病的传播。然而,还缺少田间应用,这可能是因为要扩散严重影响害物种群适合度的基因比较困难。到目前为止,昆虫不育技术、RIDl 和基于Wolbachia 方法是仅有的实际用于害物管理的遗传防治策略。

  有人提出应用归巢内切酶基因(homing endonucleasegene)进行遗传防治野生害虫种群是可能的,此提议使人们对基因驱动系统的应用产生很大兴趣。理论上讲,如果使用转基因方法把归巢内切酶基因插入功能基因中,会导致功能基因功能的损失。最初,功能降低的个体为杂合体。然而,在这些归巢基因存在的杂合细胞中,酶会切除确定位置的纯合染色体,插入自身的拷贝体,使杂合体转为纯合体。这些自私基因存在于多种微生物体中,通常位于基因内区,因此常对基因功能没有影响。这些基因驱动具有固有的归巢、切开和拷贝机器,使编辑基因或转基因在野生品种的基因组中扩散在理论上有可能,甚至在所致的基因改变降低了被处理个体和种群的适合度情况下。

  2 CRISPR-CAS9 基因驱动系统的开发

  细菌衍生的CRISPR-Cas9 系统的发现和随后的研究表明其能被用于真核细胞中精确编辑基因,这进一步说明开发野生害物种群的基因驱动技术具有远大的前景。此系统的优势为Cas9 核酸酶可被用于剪切基因组的任一部分,在导向RNA 协助下直接作用于靶标序列。应用此技术进行基因组编辑中,用同源重组途径在剪切位点拷贝基因驱动序列来修复剪切位点。基因驱动元件由导向RNA、Cas9 核酸酶和编辑修复模板组成,编辑修复模板可以在剪切点合并入新功能基因,或在剪切基因中引入精确序列变化。在自我维持基因驱动系统中,Cas9、导向RNA的序列和任何编辑或新颖的基因序列被插入剪切位置的基因组中。在二倍体生物中CRISPR-Cas9 被自动引导来剪切纯合染色体的相同点,通过同源重组插入结构。因此被修饰生物变为CRISPR-Cas9 和被编辑基因的纯合子,这表明所有的配子将传递此结构。编辑的纯合子和野生型个体间的交配将产生异性结合体,和前面一样Cas9 将被导向来剪切同源染色体,插入编辑基因,产生诱变链反应。最近人们开始关注自我维持基因驱动潜在的无限扩散时,拆分驱动系统(split-drive system)已被提出,此系统取决于第二基因的存在,此第二基因被正常遗传,能限制基因驱动的时空扩散。


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