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)的工具可對真核細(xì)胞DNA進行迅速高效的切割。經(jīng)過多種改造和延伸，CRISPR/Cas9強悍的應(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)帶來新的翻盤機會。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)，都需要培育出更強壯、更高產(chǎn)的作物以提高經(jīng)濟效益。不管怎樣，日漸增多的研究成果使人們對基因編輯的認(rèn)識愈發(fā)深刻。
動物研究規(guī)模化道阻且長
對欠發(fā)達(dá)國家和地區(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，因為沒有規(guī)模化養(yǎng)殖，小農(nóng)場主承擔(dān)風(fēng)險的能力極弱，一場病害就可能導(dǎo)致貧困。
有研究者正利用基因編輯手段，通過長期、規(guī)?；呐嘤椖浚瑤椭钒l(fā)達(dá)地區(qū)的農(nóng)牧民培育出更強壯、更高產(chǎn)的動物。
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，比如影響牲畜迅速生長或抵抗病害的基因。
不過，Djikeng本人曾在接受媒體采訪時表示，目前的操作較多針對的是易識別的單個遺傳信號，“如果我們識別出單一基因或變體與某個重要的遺傳信號有關(guān)，那么就可以進行基因編輯”。這一研究項目得到了蓋茨基金會的支持，但也遭到一些動物福利團體的反對。
一個所有研究者都無法忽略的問題是：對動物而言，許多性狀并不只是由單一基因決定，而是由多個基因共同調(diào)控的結(jié)果。西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院副教授徐坤對《中國科學(xué)報》表示，這會導(dǎo)致通過基因編輯育種獲得優(yōu)良動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，受限于評價標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管體制尚不完善、資金來源、社會認(rèn)可等問題，目前針對牲畜的基因編輯育種研究大部分仍停留在實驗室或處于封閉式小規(guī)模繁殖階段，“因此針對牲畜的基因編輯育種研究，其規(guī)?；?、市場化還有一段路要走”。
農(nóng)作物成果頻現(xiàn)但不明朗
與針對人類的臨床研究和針對動物的遺傳改造相比，植物的基因編輯較少受到倫理影響。但不少植物有堅韌的細(xì)胞壁，尤其是小麥、玉米等重要經(jīng)濟作物，用CRISPR對其進行改良也很困難。
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際生產(chǎn)，是近年來的研究熱點之一。”中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所研究員周煥斌告訴《中國科學(xué)報》。
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)用的實際效果不盡人意。
解決方案之一是有針對性的改造，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，并加快水稻育種進程。
的確，縮短育種進程、提高效率是基因編輯技術(shù)的強項。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，實現(xiàn)了對某些玉米品種的直接改良，進一步縮短育種周期。
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驗室有著更直接的依據(jù)。比如美國將基因編輯與轉(zhuǎn)基因進行區(qū)分，而歐洲將二者劃歸到同一法律范疇管理。但在中國，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“還僅限于實驗室內(nèi)部使用，不能向田間釋放”。
不與轉(zhuǎn)基因畫等號，脫靶風(fēng)險可控
周煥斌表示，對大眾而言，最常聽到的生物安全風(fēng)險概念實際源于上一代轉(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。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院教授陳其軍告訴《中國科學(xué)報》，在研究者看來，二者“其實是一樣的”。
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，因為通過基因編輯方法實現(xiàn)的基因組修飾，與轉(zhuǎn)基因技術(shù)實現(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。劉耀光在文中強調(diào)，有別于針對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)療面對的風(fēng)險不同，植物和動物基因編輯中，脫靶效應(yīng)的風(fēng)險較為可控，“在選擇靶點時，可提前通過生物信息學(xué)手段，將有潛在脫靶風(fēng)險的位點排除掉。即便出現(xiàn)脫靶風(fēng)險，對作物育種來說，也不會存在太大的安全威脅”。
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