為了養活14億人口,中國加大對基因編輯農作物的投入

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高彩霞,中國科學院遺傳與發育生物學研究所植物細胞與染色體工程國家重點實驗室研究員,博士生導師。是一位在作物改良領域工作的植物科學家。高彩霞是中國政府押注 CRISPR 基因編輯能改變中國糧食供應的一張名片。就在幾年前,一種細菌的天然免疫系統 CRISPR,在美國和歐洲的實驗室中變成了一個強大的基因組編輯器。

而如今,中國人發表的CRISPR 在農業領域應用的論文數量位居世界第一,而且足足有世界第二多的美國的兩倍。面對這一領先優勢,高彩霞開玩笑說是因為「我在中國」。第二代基因編輯工具TALEN的發明者,明尼蘇達大學聖保羅分校的植物遺傳學家Daniel Voytas認為高彩霞是一個傑出的生物學家,高彩霞早早地跳入CRISPR的浪潮中,並很快站在了浪潮之巔。

高彩霞在中國並不孤單,她的團隊是使用CRISPR 修改農作物基因的20 個團隊之一。高彩霞說:所有實驗室都使用CRISPR 進行基礎研究,如果沒有CRISPR,這些實驗室就無法生存。2017年,中國將其在CRISPR領域的努力擴展到國外,國企中國化工集團耗資430億美元收購了總部位於瑞士的先正達(Syngenta)集團。先正達是世界四大綜合性農業公司之一,擁有一隻強大的CRISPR研發團隊。

先正達北京研發中心的負責人Zhang Bei 認為,中國領導人希望戰略性投資基因組編輯,不僅僅是追趕,而是成為這一領域的全球領導者。中國農業科學院前院長、前農業部副部長李家洋院士認為,中國可能有一天需要CRISPR修飾的農作物為其龐大的人口提供足夠的糧食。我們希望用最少的肥料和殺蟲劑在來獲得最高產量,並培育具有抗病蟲害能力以及抗旱和耐鹽性的超級作物品種。所有這些都意味著我們需要找到關鍵基因並進行研究。

李家洋(左)與袁隆平、張啟發共同榮獲2018 未來科學大獎

然而,CRISPR 基因編輯農作物在從實驗室轉移到農場和餐桌前之前,中國還需要解決如何規範CRISPR 工程作物的問題,而這個問題在許多國家都存在很大的分歧。2018年,歐洲法院裁定CRISPR基因編輯作為屬於需要嚴格管制的轉基因生物(GMO),這一裁定引發巨大爭議。相比之下,美國農業部則認定將基因組編輯植物不屬於轉基因生物,只要它們不是通過轉移來自其他物種的DNA 產生,而是通過誘導天然基因突變或通過常規育種突變產生。

中國消費者對轉基因食品持謹慎態度,中國也嚴格限制轉基因作物的進口,國內唯一種植的轉基因食品時木瓜。但是對於CRISPR 基因編輯,中國正在追隨美國的腳步。其實,年輕時高彩霞並沒有夢想成為一名植物學家,高彩霞本想學醫,但是高考成績不理想的她,不想重新參加高考的她選擇去了甘肅農業大學。

高彩霞說,她對農學一點也不感興趣,但她的信條一直都是:只要幹這一行,就要盡力而為。在中國農業大學完成關於草原生態學的博士研究後,高彩霞再次轉行,在丹麥的丹農種子公司(DLF)從事植物基因工程工作,而後回到中國開始植物育種的研究。2012年6月,Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier合作在Science雜誌發表了一篇具有劃時代意義的論文。這篇論文揭示了CRISPR系統在細菌免疫中的作用和機制,為CRISPR基因編輯的應用奠定了堅實的理論基礎。

 

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圖說:Emmanuelle Charpentier(左),Jennifer Doudna(右)

在閱讀了這篇具有里程碑意義的研究論文後,高彩霞並沒有立即接受CRISPR,因為當時高彩霞實驗室使用TALEN 基因編輯工具已經獲得了穩定的成功。高彩霞實驗室用TALEN 已經成功敲除了100 多個基因,面對一種突然出現的新技術,是否應該嘗試,這是一個問題。2013年2月15日,張鋒團隊發表Science論文,率先將CRISPR基因編輯技術成功應用於小鼠和人類細胞,這篇論文宣告了CRISPR基因編輯時代的到來。

圖說:張鋒

2013年8月8日,高彩霞課題組在Nature Biotechnology雜誌發表論文,使用CRISPR基因編輯修改了水稻的DNA,這是高彩霞第一次發表CRISPR基因編輯植物的研究。這是高彩霞第一次發表CRISPR 基因編輯植物的研究,也是世界第一篇基因編輯植物的論文,如今高彩霞已經發表了超過30 篇論文,在各種農作物上使用基因組編輯器。

圖說:高彩霞團隊在北京的實驗田中培育CRISPR 修飾的水稻品系

水稻的基因組只有人類的八分之一,因此獲得成功相對容易,而普通小麥是異源六倍體,小麥染色體幾乎是人類的六倍,但是,高彩霞很快在小麥上成功進行了CRISPR 基因編輯。2014年7月20日,高彩霞團隊在Nature Biotechnology雜誌發表論文,使用CRISPR基因編輯修改了六倍體小麥的DNA,成功使編輯後的小麥不再受小麥白粉病的影響。使用傳統的育種方法,想要獲得這一成果,幾乎是不可能的,因為小麥有六個關鍵基因拷貝,想淘汰所有這些拷貝需要漫長的時間傳代。

圖說:高彩霞團隊在北京的實驗田中培育基因編輯小麥

至此,CRISPR 基因編輯成功應用到了中國最主要的兩種糧食作物—— 水稻和小麥。CRISPR 基因編輯相比於上一代基因編輯技術TALEN,更簡潔也更高效,但是CRISPR 有其局限性性。2019年在4月19日,高彩霞團隊在Science雜誌發表論文,表明基於CRISPR技術的單鹼基編輯技術會產生許多意想不到的「脫靶」突變。而且儘管CRISPR可以有效敲除了現有基因,但它很難有效地添加新基因。

目前,科學家還依賴於被稱為基因槍的繁瑣注射裝置,或是土壤膿桿菌來將CRISPR 基因編輯工具遞送到植物細胞中,因此科學家們一直在尋找更簡單的方法。中國的新收購先正達公司開發了一個更優雅的方法,通過玉米花粉,將CRISPR 工具遞送進入植物細胞,進行基因編輯然後消失。

今年2月,美國的Calyxt公司上市了第一個基因編輯的食品,用TALEN基因編輯技術創造的「健康」豆油,這種豆油的反式脂肪含量為零,油酸含量為80%,油炸時的使用時間延長三倍,保質期也更長。中國種植了大量的玉米,但是中國的玉米畝產僅有美國的60%,因為美國超過80% 的種植玉米都經過了精心修飾,具有抗蟲基因。因此中國雖然大量種植玉米,但依然必須進口大量玉米。所以CRISPR 改良玉米將是中國的一個大好機會。

儘管高彩霞等人已經準備好了基因編輯作物,但是,還必須等待政府部門確定監管政策。如果中國監管機構為CRISPR 基因工程作物打開大門,高彩霞在實驗室和試驗田中開發的作物需要多長時間能夠進行商業化種植呢?面對這個問題,高彩霞認真地說道,只要六個月,這就是為什麼選擇了CRISPR。
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封面來源:站酷海洛Plus
本文轉載至: BioWorld
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