基因编辑可能有助于水稻更好地抵御气候变化

大米是许多人饮食的主要组成部分。但气候变化使这种谷物的种植变得更加困难。在 Regeneron ISEF 竞赛中，Nandini Rastogi 展示了使用基因编辑工具 CRISPR 可以使水稻更好地承受恶劣的生长条件。

加利福尼亚州洛杉矶— 大米是全球主要食物。世界上几乎有一半的人经常食用大米，有时甚至每天都吃。但气候变化使得种植大米变得更加困难。因此，18 岁的 Nandini Rastogi 刚刚展示了一种让大米更能抵御气候压力的方法：她改变了大米的DNA。

南迪尼是一名即将升入高三的学生，她在新泽西州门罗镇接受家庭教育。上个月，她在 Regeneron 国际科学与工程博览会 (ISEF) 上展示了自己的作品。该竞赛是科学协会 (该协会也出版这本杂志) 的一个项目。

压力——包括极端炎热和干燥的气候——会触发水稻植株的某些生物过程。这些过程会引发植物的物理变化，帮助其生存。例如，在干旱时期，植物可能会伸长根部以寻找更多的水。它还可能会关闭叶子上的小孔以保留它所拥有的水分。

大多数时候，这些促进生长的过程都是关闭的。南迪尼决定去除阻止这些过程开启的基因。这样，即使植物没有受到压力，生长过程也会保持活跃。这位青少年使用一种名为 CRISPR 的基因编辑工具对水稻细胞进行了调整。它的工作原理就像一把分子剪刀。

给大米施压

南迪尼最初在当地一家为小学生开设的实验室里培育了近 600 株水稻幼苗。这家实验室名叫Yard Sciences。

这位青少年将植物放在水和营养物的混合物中培育，直到它们长到 5 厘米（约 2 英寸）高。然后，她将一些幼苗移植到新的混合物中。这种混合物中含有的酸肯定会引发植物的应激反应。其他幼苗则接受两种化学物质中的一种来模拟干旱（聚乙二醇或甘露醇）。这两种化学物质都会使植物脱水。另一组水稻则接受盐水。还有一组在极端温度下生长——寒冷的 4 摄氏度（39 华氏度）。南迪尼培育了最后一组幼苗，没有任何这些应激源。

南迪尼观察某些基因是否活跃。她在试验开始时就开始了这项工作，并在 12 小时、24 小时和 48 小时后再次观察。基因调节细胞中某些过程的启动时间。这些过程反过来会导致植物发生许多变化。其中包括使它们能够更好地承受恶劣生长条件的变化。

除了冷应激条件外，所有实验组中的三种基因都变得高度活跃。“这可能是因为极冷和极热实际上可能有各自不同的途径，”南迪尼说。

随后，这位青少年使用 CRISPR 切除了这三个“守门基因”。“由于政府监管严格，”她说，“我实际上不允许对活体植物进行基因编辑。”因此，她转而编辑了从水稻植株中移除的细胞的基因。

寻找恢复力的迹象

南迪尼研究了大约 45 万个植物细胞。她用特殊的显微镜观察这些细胞。这让她确认 CRISPR“剪刀”已经进入了经过处理的细胞内。

每个 CRISPR 剪刀都含有一种蛋白质。通过显微镜观察时，它会发出绿光。细胞的叶绿体（将阳光转化为植物养分）呈现红色。两种颜色在显微镜图像中重叠。这表明 CRISPR 工具已经到达了它应该去的地方。 

然后，为了查看它是否已经剪掉了目标基因，南迪尼寻找了如果没有守门基因会发生什么的迹象：启动某条特定途径。该途径将激活某些蛋白质或改变细胞的其他部分。“这些成分实际上会使水稻更耐逆，”南迪尼解释说。

其中一些下游组件确实变得活跃起来。

“这告诉我们，如果我们对活体植物进行编辑，植物的抗压能力就会提高，”南迪尼说。希望这能让水稻在恶劣的条件下生长得更好。她在本网站的一段视频中详细介绍了她的工作。

这位少女目前正在寻求批准对活体水稻进行实验。未来，她希望将研究范围扩大到其他重要作物，例如玉米。她还想测试更多的压力因素和生物途径。  

今年，南迪尼是近 2,000 名高中生决赛选手之一，参赛者来自近 70 个国家、地区和领土。Regeneron ISEF 在该赛事上颁发了超过 900 万美元的奖金，自 1950 年创办该年度赛事以来，一直由科学协会运营。