近日，中国农业科学院植物保护研究所抗病虫作物生态安全评价与利用创新团队通过转录组高通量测序及生物信息学分析，将转录组多样性参数应用于生物育种作物对非靶标生物的安全评价体系，建立了一种基于转录组稳态的生物育种作物对非靶标生物影响的安全性定量评价方法，推动了生物育种作物在我国的安全性应用。该成果以“Using Transcriptome Diversity to Evaluate the Off-Target Effects of miRNA-Mediated Transgenic Rice”为题发表在Journal of Agricultural and Food Chemistry国际期刊上。
生物育种是现代生物技术的核心内容，生物育种作物对非靶标生物影响评估是环境安全评价的重要内容之一。虽然生物育种作物对非靶标生物安全性的评价技术体系已较为完善，但仍存在以下局限性：1）方法适配性不足：现有技术体系主要通过毒理生测、适合度参数及生理生化指标测定等系统评估生物育种作物对非靶标生物的影响，其核心假设为Bt蛋白的毒力作用机制。随着RNAi、基因编辑、新基因、新性状等新型生物育种作物的不断涌现，其作用机制与Bt蛋白存在本质差异，沿用传统方法可能导致评估结果有较大偏差或关键风险遗漏；2）检测效率与精度缺陷：毒理生测、适合度参数及生理生化指标测试所需周期长，对非靶标生物饲养和毒理生测体系稳定性要求较高；基于存活率、产卵量、羽化率等多个适合度指标综合判断“是否存在显著差异”，没有统一量化指标；毒理生测实验中，当非靶标生物的生理生化指标产生显著差异时，一般其已受到显著影响，即毒理生测的检测灵敏度存在较大局限。
针对这些局限性，本研究进行了深入探索，提出了一种基于转录组稳态的生物育种作物对非靶标生物影响的安全性定量评价方法。以RNAi抗虫水稻转化体Csu260-16及其对照亲本中花11为研究材料，以RNAi水稻的靶标害虫二化螟及其非靶标植食性害虫稻纵卷叶螟为研究对象，收集取食RNAi水稻不同时间的二化螟和稻纵卷叶螟幼虫，进行转录组高通量测序及生物信息学分析，在此基础上计算转录组多样性参数：包括信息熵（Shannon Entropy, Hj）、标准化信息熵（Normalized Shannon entropy, Hs）及KL散度（Kullback-Leibler Divergence, Dj），进而定量评估生物育种作物对非靶标生物的潜在影响。研究结果显示，单参数分析不能全面反映生物育种作物对非靶标生物在基因表达水平方面的潜在影响，而信息熵、标准化信息熵与KL散度相结合，能更全面、更灵敏的捕捉到非靶标生物基因表达水平上的细微变化，从而预测生物育种作物潜在的生态风险。
该研究引入了标准化信息熵，计算过程中加入转录组总量归一化因子，有效消除物种间转录本总量差异带来的系统性偏差，对不同物种间的转录组概率分布进行了比较。因此，该研究不仅适用于单一物种的评估，还能够用于跨物种间的安全评价，拓宽了其应用范围。该研究将3个转录组多样性参数组合应用，能够更全面、更灵敏地检测抗虫作物对非靶标生物的潜在影响。该方法不仅局限于RNAi抗虫作物，同时也适用于其他类型的抗虫生物育种作物，进一步扩大了该技术的应用范围。传统评价方法通常只能给出综合定性的评估结果，如“存在显著差异”或“无显著差异”，而本研究通过计算转录组多样性参数数值，确定生态风险阈值，为非靶标生物环境安全性评价提供了科学的定量化评价方法与技术。
中国农业科学院植物保护研究所为论文的第一完成单位，博士后陈耕、陈俊杰硕士（已毕业）与温宁硕士（已毕业）为论文第一作者，杨晓伟副研究员、浙江大学李飞教授、韩兰芝研究员为论文通讯作者。南京环境科学研究所刘来盘副研究员参与研究工作。该研究得到生物育种重大专项—环境安全评价支撑项目（2023ZD04062）的资助。
