理性對待,基因編輯技術不同于轉基因,我們應該思考它能給育種世界帶來什么?

2018.07.03

自從人類從樹上下來,結束采摘生活,開始靠種植莊稼來養活自己,就從未停止過對良種的渴求和欲望,也從未停止過馴化改良各種農作物性狀。

我們的民族英雄——袁隆平,做夢都夢到“高粱一樣的水稻,掃帚一樣的稻穗”,是人類對良種性狀無止境的欲望。這也正是育種家們的畢生追求。

然而,自然突變的過程非常隨機及緩慢,且并不是所有的突變都是有利的,在近代以前,有利性狀的篩選及積累是一個很漫長的過程,一個良種可能耗費幾代甚至幾十代人的生命。那個時代是真的靠“天”吃飯的時代,饑餓是常態。

后來,一個叫孟德爾的神父,在排列豌豆射手的時候,發現了遺傳規律,從來打開了雜交世界的大門。

在孟德爾遺傳規律的指導下,育種家們開始進行雜交育種來培育新品種。雜交育種是將兩個或多個品種的優良性狀通過交配集中在一起,再經過選擇和培育,培育出新的優良品種。通過雜交育種,育種家們選育出了大量優良的新品種,為糧食安全提供了有力保障。

但是,雜交育種也有明顯的缺陷,還是耗時太久,少則五六年,多則十幾年才能獲得,十分耗時耗力。袁隆平自1960年著手雜交水稻育種,至1975年成功制種,耗時足足15年;雜交小麥推廣者諾曼·伯勞格改良一種小麥品種用了幾乎20年。

傳統雜交育種,耗時耗力,無法實現對一些優異基因的利用。就在此時,轉基因技術橫空出世,為農作物育種開辟了新的道路,更是培養了孟山都這個“臭名昭著”的轉基因巨無霸。

育種家利用有用的外源或內源基因的轉化,大大加強農作物在抗蟲、抗病、抗旱、增加產量、提高品質上的特性,且開發新轉基因品種所耗的時間短,生產成本相對較低,給食品加工和糧食生產等領域已經有廣泛的應用,轉基因技術也成為各國搶占的生物技術制高點。

但是,轉基因技術是將人工分離和修飾過的外部基因導入到目的生物體的基因組中,從而改造生物。轉基因導入的基因片段在受體基因組中插入的位置是隨機的,并不固定。

部分公眾認為外源基因的引入會帶來不確定的風險,對轉基因育種仍然存有一定的疑慮,也就引發了對轉基因的巨大爭議,這種爭議嚴重阻礙了轉基因技術的發展。

基因編輯技術育種的到來

隨著技術的發展,人類已經明白,基因是生命的密碼,是生命發展演化的驅動力。有觀點認為,所有的生物體一切生存活動,不過是完成基因的發展和延續。解讀基因,讀懂DNA,就成了科學家窺探生命奧秘的不懈追求。

因此,越來越多的生物體基因密碼被破解,例如人類的基因組序列早在2003年就已測序完成并對外公布;水稻、玉米、番茄等重要農作物的基因組序列也已測序完成。

破解基因密碼之后,許多控制重要農藝性狀的基因已經被解讀,人類就開始產生了操控這些密碼為人類服務,通過改造基因來改造作物形狀改善作物品種的按捺不住的沖動。

育種家迫切想做的就是如何按照糧食生產需求來編輯修改這些遺傳信息,并使之可以固定遺傳。這就迫切需要一把“基因魔剪”——基因編輯技術。

以KK的觀點,技術體系一旦形成,就會形成他自己的演化動力,推動人類來發展自己。育種技術也是,轉基因技術進入瓶頸之后,基因編輯技術拍馬趕來接棒。

基因編輯技術,最初是以ZFN和TALENs為代表的序列特異性核酸酶技術,以其能夠高效率地進行定點基因組編輯,然而在精確性和效率上存在不足,限制了其推廣和應用。

然而在2012至2013年間,一項新的基因編輯技術CRISPR-Cas9橫空出世,具有簡單高效的優點,立即風靡生物界,大大推進了基礎科學研究、人類基因治療與作物遺傳育種等領域的研究進展。

該項技術立即受到了各國育種家的追捧。

2017年底,袁隆平院士又帶來一項舉國振奮的重大科研成果:水稻親本去鎘技術取得突破,為解決鎘污染土地種植安全水稻提供了完美方案!該技術正是利用基因編輯技術實現的。

高彩霞研究員,利用基因編輯技術,首次在小麥中實現了基因的突變,從而獲得了對白粉病具有廣譜抗性的小麥材料,一舉克服小麥的重要病害之一,嚴重影響到小麥的產量和品質白粉病,使得我國小麥基因編輯技術育種中,走在了世界前列。

美國更是基因編輯技術育種的先行先試者。

美國Calyxt公司通過基因編輯技術降低土豆中天門冬酰胺和單糖的含量,使得土豆既能夠耐冷藏,同時能夠減少高溫烹飪時產生的致癌物質丙烯酰胺,獲得美國批準上市。

賓夕法尼亞大學的楊亦農實驗室利用CRISPR-Cas9 技術,在白蘑菇中將容易引起褐變的多酚氧化酶的編碼基因敲除了1個(原來有3個),將該酶活性降低了30%,從而獲得了不易褐變的白蘑菇,更易于保存及運輸。

美國杜邦先鋒公司通過CRISPR-Cas9技術敲除控制直鏈淀粉合成的Waxy1基因獲得了糯玉米新品種。

早在2012年,美國陶氏益農公司也利用基因編輯技術開發出一種新的玉米品種,已獲得美國農業部批準。

2014年,美國還認定CPS公司采用TALENs技術培育的馬鈴薯品種。不受轉基因法律的監管。

目前,日本采用基因編輯技術培育的水稻品種,也正在進行田間實驗。

跨國育種公司更是看到了基因編輯技術帶來廣闊育種空間。

杜邦先鋒與CRISPR-Cas9技術領先開發商Caribou生物科學公司達成戰略聯盟,杜邦獲得在行栽作物獨家知識產權使用權。2017年2月,已經培育了CRISPR編輯的玉米和小麥,并進入了田間試驗階段。

多年來,孟山都過各種基因編輯方法進行了廣泛的作物育種研究。為鞏固其在基因技術領域的霸權地位,孟山都公司分別與以色列 TargetGene Biotechnologies 公司和德國 Nomad Bioscience公司簽署了基因編輯技術在農業領域的戰略合作協議。

基因編輯技術育種風靡世界,原因是多方面的。

簡單、高效、低成本是一個重要原因。尤其是CRISPR-Cas9構成簡單、方法快速且易操作,楊亦農的實驗室研發出抗褐變的蘑菇,僅用了兩個月時間。

任何一個有經驗的分子生物學家,都能在三天時間內建立起一個量身定制的突變工具,用于編輯培養中的細胞的任何一個基因。先比傳統育種,諾曼·伯勞格花費20年,袁隆平花費15年;而利用CRISPR-Cas9技術,一個品種的某一個基因的改良只需幾周。

而且成本低的得令人難以置信。楊亦農估計,如果不考慮人力成本,實驗花費可能還不到1萬美元。這在農業生物技術領域,成本幾乎可以忽略不計。

另一個重要原因,是不會引入外源基因,與作物自身變異步伐區分,既能避免轉基因作物的巨大爭議,還可以規避轉基因法規的監管,節省大量成本。

轉基因作物監管是一項巨大的負擔。一份行業調查表明,一個轉基因作物開發的費用約在1.36億美元,其中法規方面需3500萬美元。盡管美國農業部試著將其縮短至13個-16個月,但實際的審查工作完成一般要2年-5年。 

而美國農業部表示,不引入外源基因的基因編輯技術作物品種,不受轉基因法律法規監管。此舉大大促進了美國基因編輯技術的發展和作物品種上市。在過去幾年間,已有約數十種種基因改造作物避開美國農業部監管系統,成功取得上市資格。

除美國外,還有以下國家對基因編輯技術采取相對寬松的監管措施。

2015年,瑞典農業委員會明確解釋,某些由CRISPR引入的植物突變,并不符合歐盟對轉基因的定義。

德國表示,使用比較古老的寡聚核苷酸法得到的基因編輯油菜,并不屬于轉基因生物,因為無法將它與常規突變得到的產品區分開來。

阿根廷也認為,基因編輯作物并不屬于轉基因的監管范疇。

目前,我國對基因編輯產品是否需要監管及如何監管尚未有政策出臺。商業化的品種,沒有市場就沒有未來,中國遲遲不能出臺詳細監管措施,可能會影響我國基因編輯技術育種的研發進程和市場競爭力。

關于基因編輯技術,其最大優勢是低成本、高效率。相比ZFN和TALENs,成本低,效率高,具有不可比擬優勢,這也正是它能夠引發基因編輯技術熱的重要原因。然而,CRISPR-Cas9無法解決脫靶的問題,精確性有待提高。

另外,基因基因編輯技術與轉基因的最大優勢是,不再是亂槍打鳥,能夠實現歲基因序列的精確編輯,通過基因編輯技術實現轉基因過程,也許是基因編輯技術育種的更廣闊的方向。

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