为实现运输燃料净零碳排放而做出的努力正在增加对非食用作物生产的油的需求。这些植物利用阳光将大气中的二氧化碳转化为油，油会积聚在种子中。作物育种者希望选择产油量高的植物，因此会寻找黄色种子。在油菜等油籽作物中，黄色种子的品种通常比棕色种子的品种产油量更高。原因在于：造成棕色种子颜色的蛋白质(黄色种子植物缺乏这种蛋白质)也在油的生产中起着关键作用。

科学家培育出产油量高的黄籽亚麻荠

现在，美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的植物生物化学家们利用这些知识创造了一种新的高产油籽作物品种，他们对提高植物油合成率以实现生物燃料和其他生物产品的可持续生产很感兴趣。在《植物生物技术杂志》上发表的一篇论文中，他们描述了他们如何利用现代遗传学工具培育出一种黄色种子的亚麻荠品种，亚麻荠是油菜的近亲，其油含量比普通亚麻荠高出21.4%。

布鲁克海文实验室生物化学家约翰·尚克林(JohnShanklin)是该实验室生物系主任，也是植物油研究项目负责人，他说：“如果育种者能够使油产量增加几个百分点，他们就会认为这是意义重大的，因为当你种植数百万英亩的油时，即使产量小幅增加也会导致油产量大幅增加。”“我们近22%的增幅是出乎意料的，可能会导致产量大幅增加，”他说。

简单的想法，不寻常的植物

开发这种高产亚麻荠品种背后的想法很简单：模仿自然产生的高产黄籽油菜品种的生长情况。

“育种者已经确定了含油量更高的植物，其中一些恰好有黄色种子，他们并不真正担心其中的机制，”尚克林说。但一旦科学家发现了导致种子呈黄色并增加含油量的基因，他们就有办法提高其他物种的含油量。

该基因含有制造透明种皮8(TT8)蛋白质的指令，该蛋白质控制着使种子呈棕色的化合物的产生等。重要的是，TT8还会抑制一些与油脂合成有关的基因。

该项目负责人俞晓红推测，除去亚麻荠中的TT8基因，应该可以解除对油脂合成的抑制，从而释放出一些可以用于油脂生产的碳。

去除亚麻荠中的单个基因非常困难，因为这种植物在生物中并不常见。亚麻荠没有两组染色体(即每个基因有两个副本)，而是有六组染色体。

“这种‘六倍体’基因组解释了为什么天然的亚麻荠品种中不存在黄色种子，”余解释道。“TT8的所有六个拷贝同时发生突变并完全破坏其功能的可能性极小。”

基因编辑带来石油

借助现代遗传学工具，布鲁克海文团队找到了一种方法来敲除TT8的所有六个副本。他们使用名为CRISPR/Cas9的基因编辑技术来针对TT8基因内的特定DNA序列。他们利用该技术在这些位置切割DNA，然后产生使基因失活的突变。Yu和团队随后进行了一系列生化和遗传分析，以监测他们的靶向基因编辑的效果。

“我们正在寻找的黄色种子表型是我们搜索的一个很好的视觉指南，”Yu说。“这帮助我们通过筛选不到100株植物找到了我们正在寻找的种子——其中我们确定了三个独立发生的品系，其中所有六个基因都被破坏了。”

结果表明：只有TT8基因所有六个拷贝均被破坏的植物，种皮颜色才会从棕色变为黄色。与未编辑基因组的亚麻荠品种的棕色种子相比，黄色种子中“类黄酮”化合物和“粘液”含量较低(这两者都是由TT8控制的生化途径正常产生的)。

此外，许多与油脂合成和脂肪酸(油脂的组成部分)生产有关的基因在CRISPR/Cas9编辑植物的种子中表达水平增加。这导致油脂积累量急剧增加。经过修改的种子还有另一个惊喜，即蛋白质和淀粉的水平没有改变。

TT8的目标突变在亚麻荠植物的后代中得以遗传，这表明这种改良将是稳定而持久的。

“我们的研究结果表明，通过基因编辑创造新的亚麻荠品系具有潜力，在这种情况下，通过操纵TT8来增强油脂的生物合成。进一步了解TT8和其他因素如何控制生化途径的细节可能会为提高油脂产量提供额外的基因靶点，”Shanklin说。