2019-04-19 08:48:58
當(dāng)“基因剪刀”遇上農(nóng)業(yè)生產(chǎn)
與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，飼養(yǎng)在非洲撒哈拉沙漠以南的牲畜無論是產(chǎn)奶量還是產(chǎn)肉量都要稍遜一籌。圖片來源：BEN SADD/MINDEN PICTURES
本報(bào)見習(xí)記者 任芳言
自CRISPR/Cas9“基因剪刀”誕生后，生命科學(xué)領(lǐng)域各類研究成果相繼涌現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)于細(xì)菌天然免疫系統(tǒng)內(nèi)的工具可對(duì)真核細(xì)胞DNA進(jìn)行迅速高效的切割。經(jīng)過多種改造和延伸，CRISPR/Cas9強(qiáng)悍的應(yīng)用潛力引起諸多研究者的興趣，其應(yīng)用范圍至今仍在不斷拓展。
除了治愈遺傳疾病、制造更強(qiáng)大的干細(xì)胞，基因編輯還可能為農(nóng)業(yè)帶來新的翻盤機(jī)會(huì)。比如讓牛遠(yuǎn)離結(jié)核病、讓水稻更耐寒、讓大豆或玉米更高產(chǎn)。
目前，美國(guó)農(nóng)業(yè)部已經(jīng)明確基因編輯作物無需受到與轉(zhuǎn)基因作物規(guī)格相同的監(jiān)管，但歐盟最高法院卻規(guī)定，基因編輯作物應(yīng)與轉(zhuǎn)基因生物遵守同樣嚴(yán)格的法規(guī)。
無論是畜牧業(yè)還是種植業(yè)，都需要培育出更強(qiáng)壯、更高產(chǎn)的作物以提高經(jīng)濟(jì)效益。不管怎樣，日漸增多的研究成果使人們對(duì)基因編輯的認(rèn)識(shí)愈發(fā)深刻。
動(dòng)物研究規(guī)模化道阻且長(zhǎng)
對(duì)欠發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)而言，在基因編輯技術(shù)出現(xiàn)之前，養(yǎng)殖牲畜的小農(nóng)場(chǎng)主往往要靠天吃飯。以乳制品產(chǎn)量為例，在非洲撒哈拉沙漠以南地區(qū)，即便是最好的情況，當(dāng)?shù)啬膛５纳a(chǎn)力也遠(yuǎn)不及溫帶氣候下的奶牛。
落后的養(yǎng)殖技術(shù)和方法也導(dǎo)致產(chǎn)量低下。此外，因?yàn)闆]有規(guī)模化養(yǎng)殖，小農(nóng)場(chǎng)主承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)的能力極弱，一場(chǎng)病害就可能導(dǎo)致貧困。
有研究者正利用基因編輯手段，通過長(zhǎng)期、規(guī)模化的培育項(xiàng)目，幫助欠發(fā)達(dá)地區(qū)的農(nóng)牧民培育出更強(qiáng)壯、更高產(chǎn)的動(dòng)物。
Appolinaire Djikeng是熱帶牲畜遺傳學(xué)健康研究中心的負(fù)責(zé)人，他與同事追蹤選定范圍內(nèi)的遺傳信號(hào)，比如影響牲畜迅速生長(zhǎng)或抵抗病害的基因。
不過，Djikeng本人曾在接受媒體采訪時(shí)表示，目前的操作較多針對(duì)的是易識(shí)別的單個(gè)遺傳信號(hào)，“如果我們識(shí)別出單一基因或變體與某個(gè)重要的遺傳信號(hào)有關(guān)，那么就可以進(jìn)行基因編輯”。這一研究項(xiàng)目得到了蓋茨基金會(huì)的支持，但也遭到一些動(dòng)物福利團(tuán)體的反對(duì)。
一個(gè)所有研究者都無法忽略的問題是：對(duì)動(dòng)物而言，許多性狀并不只是由單一基因決定，而是由多個(gè)基因共同調(diào)控的結(jié)果。西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院副教授徐坤對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示，這會(huì)導(dǎo)致通過基因編輯育種獲得優(yōu)良動(dòng)物新品種的難度大大提高。
“另外，基因編輯育種需要形成一定規(guī)模且繁殖多代以觀成效，這需要大量資金支持。”徐坤指出，受限于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管體制尚不完善、資金來源、社會(huì)認(rèn)可等問題，目前針對(duì)牲畜的基因編輯育種研究大部分仍停留在實(shí)驗(yàn)室或處于封閉式小規(guī)模繁殖階段，“因此針對(duì)牲畜的基因編輯育種研究，其規(guī)模化、市場(chǎng)化還有一段路要走”。
農(nóng)作物成果頻現(xiàn)但不明朗
與針對(duì)人類的臨床研究和針對(duì)動(dòng)物的遺傳改造相比，植物的基因編輯較少受到倫理影響。但不少植物有堅(jiān)韌的細(xì)胞壁，尤其是小麥、玉米等重要經(jīng)濟(jì)作物，用CRISPR對(duì)其進(jìn)行改良也很困難。
可這無法阻擋研究者的腳步，“如何利用基因編輯技術(shù)，將影響農(nóng)藝性狀的關(guān)鍵控制基因用于育種改良和實(shí)際生產(chǎn)，是近年來的研究熱點(diǎn)之一。”中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所研究員周煥斌告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
周煥斌指出，大部分優(yōu)良性狀的獲得是源于基因序列發(fā)生變異。理論上可通過CRISPR/Cas9技術(shù)以及基因組DNA的同源重組改變基因的序列，不過由于基礎(chǔ)理論研究有限，相關(guān)應(yīng)用的實(shí)際效果不盡人意。
解決方案之一是有針對(duì)性的改造，比如瞄準(zhǔn)基因內(nèi)部的關(guān)鍵核苷酸。借助CRISPR/Cas9技術(shù)，周煥斌與合作者開發(fā)出一系列單堿基編輯器，實(shí)現(xiàn)了水稻基因組中靶核苷酸4種堿基的編輯替換。這一研究可有效矯正水稻品種的缺陷性基因，并加快水稻育種進(jìn)程。
的確，縮短育種進(jìn)程、提高效率是基因編輯技術(shù)的強(qiáng)項(xiàng)。今年3月，來自農(nóng)業(yè)科技企業(yè)先正達(dá)的科學(xué)家在《自然—生物學(xué)》上發(fā)表了一項(xiàng)研究。研究人員將單倍體誘導(dǎo)育種與基因編輯相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)某些玉米品種的直接改良，進(jìn)一步縮短育種周期。
據(jù)介紹，由于研究并未將CRISPR基因直接引入最終作物的DNA中，依照美國(guó)現(xiàn)行法規(guī)，該方法不屬于轉(zhuǎn)基因范疇，或許未來更易獲得相關(guān)審批許可。
在監(jiān)管態(tài)度明確、法律法規(guī)完善的情況下，判斷基因編輯作物能否走出實(shí)驗(yàn)室有著更直接的依據(jù)。比如美國(guó)將基因編輯與轉(zhuǎn)基因進(jìn)行區(qū)分，而歐洲將二者劃歸到同一法律范疇管理。但在中國(guó)，相關(guān)的法律法規(guī)還較為缺乏，周煥斌表示，因此目前相關(guān)研究成果“還僅限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部使用，不能向田間釋放”。
不與轉(zhuǎn)基因畫等號(hào)，脫靶風(fēng)險(xiǎn)可控
周煥斌表示，對(duì)大眾而言，最常聽到的生物安全風(fēng)險(xiǎn)概念實(shí)際源于上一代轉(zhuǎn)基因技術(shù)，比如有沒有外源轉(zhuǎn)基因、外源轉(zhuǎn)基因來自哪個(gè)物種。
但需要明確的是，基因編輯比轉(zhuǎn)基因的概念更廣泛，前者在研究中更多的是指基因的敲除或堿基的改變。
而經(jīng)過基因編輯改造獲得的種類與發(fā)生自然變異的品種，即便是通過分子生物學(xué)手段也難以區(qū)分。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院教授陳其軍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，在研究者看來，二者“其實(shí)是一樣的”。
中科院院士劉耀光、中科院上海生命科學(xué)研究院研究員朱健康等人曾于今年年初發(fā)表綜述文章，指出無轉(zhuǎn)基因編輯的植物不應(yīng)受到特殊的管理政策的約束，對(duì)轉(zhuǎn)基因生物的現(xiàn)有定義和調(diào)控框架也應(yīng)重新考慮，因?yàn)橥ㄟ^基因編輯方法實(shí)現(xiàn)的基因組修飾，與轉(zhuǎn)基因技術(shù)實(shí)現(xiàn)的非常不同。
文章指出，大多數(shù)CRISPR誘導(dǎo)的基因突變并非大段大段的插入或重排，大多數(shù)是小的插入和缺失。這種小的插入或缺失也存在于自然條件下生長(zhǎng)的植物，或經(jīng)輻射、化學(xué)誘變劑等大規(guī)模誘導(dǎo)的植物中。
另外，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因植物中的轉(zhuǎn)基因是穩(wěn)定遺傳的，而使用CRISPR及其他基因編輯工具構(gòu)建的性狀改良植物則無穩(wěn)定遺傳的轉(zhuǎn)基因。
今年4月，劉耀光等人還就植物基因組編輯中的脫靶效應(yīng)發(fā)表文章。劉耀光在文中強(qiáng)調(diào)，有別于針對(duì)人類的臨床研究和基因治療，植物研究不受倫理學(xué)影響，因此對(duì)基因編輯中的脫靶效應(yīng)具有更高耐受性。
陳其軍也表示，與臨床醫(yī)療面對(duì)的風(fēng)險(xiǎn)不同，植物和動(dòng)物基因編輯中，脫靶效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)較為可控，“在選擇靶點(diǎn)時(shí)，可提前通過生物信息學(xué)手段，將有潛在脫靶風(fēng)險(xiǎn)的位點(diǎn)排除掉。即便出現(xiàn)脫靶風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)作物育種來說，也不會(huì)存在太大的安全威脅”。
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