農作物基因編輯突破：以原生質體再生法成就非生物性且不帶外來遺傳物質的基因編輯

植物原生質體再生自1960年代發展後，成為重要的植物功能性基因體驗證平台。雖然擁有單細胞再生，不會產生雜合細胞的再生植物優勢，但受限於缺乏合適組織培養與再生技術，再生速度緩慢與效率低，無法廣泛應用於不同作物，且再生過程可能造成的染色體變異，令許多學者卻步。中央研究院農業生物科技研究中心助研究員林耀正與研究技師林崇熙研究團隊，成功建立秘魯番茄（Solanum peruvianum）原生質體再生，利用不帶外來遺傳物質的酵素反應方式進行基因編輯，並由染色體與基因體學驗證無論是二倍體或四倍體細胞皆有穩定的染色體。成果於近期刊登於國際期刊-植物生理學 （Plant Physiology），並被選為今（2022）年4月期刊封面，林耀正助研究員同時獲邀參加四月基因編輯特刊的線上研討會演講，超過三百人同時上線聆聽。

目前商業栽培番茄的多個重要抗病（細菌、真菌與線蟲）與抗逆境（乾旱與高溫）基因，皆是育種家經傳統育種方式由秘魯番茄導入。但是秘魯番茄的自交不親和與高種源歧異度，一直困擾育種家廣泛利用秘魯番茄種源進行抗病與逆境育種。本次實驗針對五個在商業栽培番茄的已知抗病基因，設計不需透過農桿菌、不帶外來遺傳物質的基因編輯方式，編輯抗病基因後使植物產生明顯病徵，證明抗病基因已無功能。同時在驗證基因編輯過程中，意外發現秘魯番茄的莖同時存在等比的二倍體與四倍體細胞，而且在四倍體的抗病基因座皆能成功被編輯。由於許多重要作物皆為多倍體（如小麥是六倍體，無子西瓜是三倍體），多倍體基因編輯在農業上有廣泛的應用價值。利用不帶外來遺傳物質的酵素反應方式進行基因編輯技術，可以免除傳統對基因改造作物（GM）帶有外來遺傳物質的疑慮。

然而由於傳統原生質體再生，尤其多倍體再生被詬病的問題為基因體不穩定，容易發生大片段的染色體缺失或染色體互換（如動物的癌症細胞發生原因）。為解決這個疑慮，一方面發展穩定並有效率的再生技術，另一方面利用染色體與全基因體定序分析，證實再生植物的染色體在二倍體與四倍體細胞皆穩定，不影響植物生長與發育。

本研究由中研院創新轉譯農學研究計畫及科技部支持，通訊作者為本院農業生物科技研究中心林耀正助研究員。其他農生中心的參與者包含：第一作者林崇熙研究技師、協助建立原生質體再生、基因編輯及基因體分析的徐振權、袁郁璿、鄭伯忻、吳馥卉、程喬薇、吳育伶、吳亭利、施明哲特聘研究員與前諮詢委員哈佛大學沈正韻教授，以及本院生物化學研究所凌嘉鴻助研究員。 

• 論文全文： https://doi.org/10.1093/plphys/kiac022
• News and Views 介紹： https://doi.org/10.1093/plphys/kiac061  
• 第一作者人物側寫： https://plantae.org/choun-sea-lin-plant-physiology-first-author/  
• 4月特刊線上研討會YouTube： https://youtu.be/wtD6105sfCE  

施明哲 林耀正 林崇熙

Choun-Sea Lin, Chen-Tran Hsu, Yu-Hsuan Yuan, Po-Xing Zheng, Fu-Hui Wu, Qiao-Wei Cheng, Yu-Lin Wu, Ting-Li Wu, Steven Lin, Jin-Jun Yue, Ying-Huey Cheng, Shu-I Lin, Ming-Che Shih, Jen Sheen, Yao-Cheng Lin^* (2022) 農作物基因編輯突破：以原生質體再生法成就非生物性且不帶外來遺傳物質的基因編輯 Plant Physiology, Volume 188, Issue 4, April 2022, Pages 1917–1930