基因編輯為育種帶來新途徑

不久前，袁隆平院士宣布了一項重大成果：水稻親本去鎘技術獲得突破，為解決鎘污染土地種植安全水稻提供了先進方案。這項重大成果是利用基因編輯技術實現的。

利用基因編輯技術進行農作物育種，如今已經成為國際科學競賽新的熱門領域，國內外都有前沿消息傳來。下面，我們特約請中國水稻研究所副研究員王春介紹有關這方面的知識。

1.農業育種為什么需要基因編輯技術

生物體的性狀及活動都是由基因控制的。如果將決定一個生物體最根本遺傳信息的基因組比喻成一本書，那么人類首先要做的事情是讀出這些DNA序列信息，獲得這本生命之書。隨著測序技術的進步和測序成本的降低，越來越多的生命之書被破解，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。

獲得了這本生命之書后，人們嘗試著讀懂這些信息。在過去的二十幾年里，科學家主要通過突變體來解讀這些基因信息。以水稻為例，通過化學或物理誘變的方法，隨機改變遺傳信息，獲得各種各樣千奇百怪的水稻突變體，從最簡單的一個基因控制一個表型入手，先觀察受影響的表型，再找到控制這個表型的基因，解讀那段基因序列的功能。通過不懈的努力，許多控制重要農藝性狀的基因已經被解讀，為下一步的改造提供了依據。當然，還有更多未知的基因功能等待著科學家研究。

接下來，人類想做的就是如何按照我們的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。

早期的ZFNs和TALENs技術最先被應用于基因編輯，但由于這兩項技術的使用比較復雜且成本較高，限制了它們的廣泛推廣應用。

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。CRISPR-Cas9系統主要由兩個元件組成，一個是負責切割DNA序列的核酸酶Cas9，另一個是負責在基因組上精確定位的sgRNA，它們倆就像一把剪刀和一把尺子一樣，在基因組這本生命之書上精準地找到需要編輯的位置，進行剪切，就如同我們在電腦上編輯一篇word文檔那么簡單。

2.與轉基因技術完全不同

基因編輯技術育種與我們常聽到的轉基因技術育種是兩種完全不同的技術。

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。在農業育種上，科學家往往將另一物種中的某些基因轉到農作物中，以達到抗蟲、抗病、抗除草劑等目的。例如，利用Bt基因抵抗棉鈴蟲就是一個成功應用微生物殺蟲劑的轉基因例子。Bt基因是來自蘇云金桿菌的一段DNA序列，將這段來自細菌的序列通過轉基因技術轉到棉花中時，相應的轉基因棉花就會表達BT蛋白，從而達到殺死棉鈴蟲保護棉花的目的。BT蛋白特異性地針對鱗翅目昆蟲發揮作用，人類和絕大多數動物既沒有可以激活原毒素的蛋白酶，也不存在能和BT蛋白特異性結合的受體，所以BT蛋白對人類的健康沒有任何影響。

基因編輯技術不轉入外源基因，只是對作物內部存在的基因進行修飾。基因編輯技術通常是將農作物本身的一些“不良基因”敲除，達到去劣存優的目的，這需要在基因組上精準地找到目標，并進行如外科手術般精準的遺傳操作。要想成功實施基因定點編輯，首先就是要將“剪刀”和“尺子”傳遞到細胞核里，接觸到基因組序列，對目標基因進行編輯。在完成目標基因的微創手術之后，所有的外源成分將被完全剔除掉。因此基因編輯的工具，如同上了屋的梯子，在使用完畢后，就被剔除了。在最終獲得的植株中，并沒有殘留一點外源成分，具有與常規誘變品種無異的優點，因此在作物改良的生產應用上更為安全。

3.在農作物育種中優勢初顯

“基因魔剪”已經在部分農產品中發揮功能，為我們創造了一些之前很難獲得的新品種。

白粉病是小麥的重要病害之一，嚴重影響到小麥的產量和品質。中國科學院遺傳與發育生物學研究所的高彩霞研究員與中國科學院微生物所的邱金龍研究員合作，利用基因編輯技術，首次在小麥中實現了MLO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，并且整個過程最快僅需要半年左右時間，在小麥農業安全生產上具有重大意義。

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。

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。

不久前，中國工程院院士、“雜交水稻之父”袁隆平宣布了一項重大成果：水稻親本去鎘技術獲突破。袁隆平的研究團隊同樣利用了這把“基因魔剪”，將水稻中參與吸收鎘離子的基因敲除了，獲得了不吸收鎘離子的水稻品種。這項技術的運用，為解決鎘污染土地種植安全水稻提供了完美的解決方案。

延伸閱讀

農作物育種走過的那些路

自從人類開始通過種植農作物來養活自己，就從來沒有停止過馴化改良各種農作物性狀。但是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。因此，在近代以前，有利性狀的篩選及積累是一個很漫長的過程。

后來，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，雜交育種少則五六年，多則十幾年才能獲得，十分耗時耗力。同時，用傳統育種方法可能無法實現對一些優異基因的利用，目前傳統育種進入了緩慢發展的平臺期。

轉基因技術的發展，為農作物育種提供了一種方向。一些有用的外源或內源基因的轉化，可以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。雖然轉基因技術在醫學、食品加工和糧食生產等領域已經有廣泛的應用，給疾病治療和糧食安全帶來了巨大的收益，但是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。

如今，基因編輯技術的應用，為農作物育種注入了新的活力。由于基因編輯系統培育的品種不含有任何外源成分，有效避免了類似于轉基因帶來的不確定性。此外，基因編輯技術對基因的編輯是可控的、精準的。可以預見，基因編輯技術在作物育種上具有十分廣闊的應用前景。

科學有規范

基因編輯技術育種如何監管？

一直以來，轉基因農作物受到非常嚴格的監管。

那么，基因編輯技術育種，是否也要和轉基因育種一樣，受到同樣的監管？由于基因編輯技術育種相對更安全，對此也存在一些不同看法。

美國農業部于2016年4月批文，認定前文提到的基因編輯蘑菇、玉米不需要受傳統轉基因政策的監管，因此加快了基因編輯作物的上市速度，讓美國本土公司獲得了先發優勢。

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；德國稱，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，但業內認為應該以以下標準來區分：1. 僅有個別核苷酸序列發生插入或缺失造成的突變，應視同自然突變，無需監管，且也無法檢測監管；2. 有小片段序列插入或替換的材料，應該以比較開放的態度傾向于不監管；3.有大片段序列插入，特別是外源基因序列的插入，需要慎重監管，以對待轉基因材料的標準對待。