近日，中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所抗病蟲作物生態(tài)安全評價與利用創(chuàng)新團隊通過轉(zhuǎn)錄組高通量測序及生物信息學分析，將轉(zhuǎn)錄組多樣性參數(shù)應用于生物育種作物對非靶標生物的安全評價體系，建立了一種基于轉(zhuǎn)錄組穩(wěn)態(tài)的生物育種作物對非靶標生物影響的安全性定量評價方法，推動了生物育種作物在我國的安全性應用。該成果以“Using Transcriptome Diversity to evaluate the Off-Target Effects of miRNA-Mediated Transgenic Rice”為題發(fā)表在Journal of Agricultural and Food Chemistry國際期刊上。
生物育種是現(xiàn)代生物技術的核心內(nèi)容，生物育種作物對非靶標生物影響評估是環(huán)境安全評價的重要內(nèi)容之一。雖然生物育種作物對非靶標生物安全性的評價技術體系已較為完善，但仍存在以下局限性：1）方法適配性不足：現(xiàn)有技術體系主要通過毒理生測、適合度參數(shù)及生理生化指標測定等系統(tǒng)評估生物育種作物對非靶標生物的影響，其核心假設為Bt蛋白的毒力作用機制。隨著RNAi、基因編輯、新基因、新性狀等新型生物育種作物的不斷涌現(xiàn)，其作用機制與Bt蛋白存在本質(zhì)差異，沿用傳統(tǒng)方法可能導致評估結(jié)果有較大偏差或關鍵風險遺漏；2）檢測效率與精度缺陷：毒理生測、適合度參數(shù)及生理生化指標測試所需周期長，對非靶標生物飼養(yǎng)和毒理生測體系穩(wěn)定性要求較高；基于存活率、產(chǎn)卵量、羽化率等多個適合度指標綜合判斷“是否存在顯著差異”，沒有統(tǒng)一量化指標；毒理生測實驗中，當非靶標生物的生理生化指標產(chǎn)生顯著差異時，一般其已受到顯著影響，即毒理生測的檢測靈敏度存在較大局限。
針對這些局限性，本研究進行了深入探索，提出了一種基于轉(zhuǎn)錄組穩(wěn)態(tài)的生物育種作物對非靶標生物影響的安全性定量評價方法。以RNAi抗蟲水稻轉(zhuǎn)化體Csu260-16及其對照親本中花11為研究材料，以RNAi水稻的靶標害蟲二化螟及其非靶標植食性害蟲稻縱卷葉螟為研究對象，收集取食RNAi水稻不同時間的二化螟和稻縱卷葉螟幼蟲，進行轉(zhuǎn)錄組高通量測序及生物信息學分析，在此基礎上計算轉(zhuǎn)錄組多樣性參數(shù)：包括信息熵（Shannon Entropy, Hj）、標準化信息熵（Normalized Shannon entropy, Hs）及KL散度（Kullback-Leibler Divergence, Dj），進而定量評估生物育種作物對非靶標生物的潛在影響。研究結(jié)果顯示，單參數(shù)分析不能全面反映生物育種作物對非靶標生物在基因表達水平方面的潛在影響，而信息熵、標準化信息熵與KL散度相結(jié)合，能更全面、更靈敏的捕捉到非靶標生物基因表達水平上的細微變化，從而預測生物育種作物潛在的生態(tài)風險。
該研究引入了標準化信息熵，計算過程中加入轉(zhuǎn)錄組總量歸一化因子，有效消除物種間轉(zhuǎn)錄本總量差異帶來的系統(tǒng)性偏差，對不同物種間的轉(zhuǎn)錄組概率分布進行了比較。因此，該研究不僅適用于單一物種的評估，還能夠用于跨物種間的安全評價，拓寬了其應用范圍。該研究將3個轉(zhuǎn)錄組多樣性參數(shù)組合應用，能夠更全面、更靈敏地檢測抗蟲作物對非靶標生物的潛在影響。該方法不僅局限于RNAi抗蟲作物，同時也適用于其他類型的抗蟲生物育種作物，進一步擴大了該技術的應用范圍。傳統(tǒng)評價方法通常只能給出綜合定性的評估結(jié)果，如“存在顯著差異”或“無顯著差異”，而本研究通過計算轉(zhuǎn)錄組多樣性參數(shù)數(shù)值，確定生態(tài)風險閾值，為非靶標生物環(huán)境安全性評價提供了科學的定量化評價方法與技術。
中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所為論文的第一完成單位，博士后陳耕、陳俊杰碩士（已畢業(yè)）與溫寧碩士（已畢業(yè)）為論文第一作者，楊曉偉副研究員、浙江大學李飛教授、韓蘭芝研究員為論文通訊作者。南京環(huán)境科學研究所劉來盤副研究員參與研究工作。該研究得到生物育種重大專項—環(huán)境安全評價支撐項目（2023ZD04062）的資助。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jafc.4c11433
