2021-12-22 10:53:00
在基因編輯中試熟化平臺培育的玉米幼苗。 受訪者供圖
■本報記者 張雙虎
一顆種業(yè)“高端定制”的“種子”已經(jīng)埋下，也許明年，基因組學精準育種的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用就會在田間開花結(jié)實。
近日，全國首個植物基因編輯公共技術(shù)平臺在濟南正式啟用。專家認為，此舉意味著我國生物育種技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用按下“加速鍵”，從而補齊我國基因編輯生物育種技術(shù)“基礎(chǔ)研發(fā)水平強，但產(chǎn)業(yè)化弱”的短板。
定制的“魅力”
“基因組學育種主要研究基因組的結(jié)構(gòu)、功能、進化、定位和編輯等，是通過對作物基因進行表型特征、定量分析及不同基因組比較研究，設(shè)計‘定制’作物品種，提高育種效率的一項顛覆性技術(shù)。”西北農(nóng)林科技大學教授、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部小宗糧豆專家指導(dǎo)組副組長馮佰利在接受《中國科學報》采訪時說，“目前，我國科學家利用基因組學、蛋白組學、代謝組學、表型組學等多組學聯(lián)合技術(shù)開展分子設(shè)計育種，已經(jīng)在水稻、大豆、玉米、馬鈴薯等作物上取得了一系列重要進展。”
10月中旬，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員田志喜團隊培育的兩個大豆新品系——TZX-1736、TZX-805，在山東東營黃河三角洲含鹽量高達0.5%的重度鹽堿地實收測產(chǎn)，創(chuàng)下了畝產(chǎn)520多斤的紀錄（遠超2020年我國大豆平均畝產(chǎn)264.8斤）。
5月份，山東舜豐生物科技有限公司（以下簡稱舜豐生物）與山東師范大學合作，在《植物學報》在線發(fā)表論文，利用基因編輯技術(shù)敲除玉米基因組中存在的兩個水稻香味調(diào)控基因BADH2的同源基因，創(chuàng)制了世界首例香味玉米。
“目前，我們基于自主知識產(chǎn)權(quán)基因編輯工具，在不同物種（作物）中，進行了一系列活性和效率優(yōu)化工作，并成功應(yīng)用到多個物種的育種研發(fā)中。”舜豐生物運營總監(jiān)汪杰告訴《中國科學報》，“我們創(chuàng)制了一系列新表現(xiàn)型‘材料’，培育出包括抗倒伏高產(chǎn)玉米，淀粉品質(zhì)改良水稻、馬鈴薯，超高維C生菜，高油酸大豆等多個新品種，為農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效做好了技術(shù)儲備。”
油酸是人體不能合成但又必需的不飽和脂肪酸，它不僅能有效降低有害膽固醇，還可維持有益膽固醇的水平，具有極高的健康價值。但傳統(tǒng)的大豆油酸只有20%左右，企業(yè)往往要從國外進口高油酸大豆榨油，來滿足消費者需求。而舜豐生物培育的高油酸大豆，油酸含量已達到80%以上，成為高附加值的新品種。
按下“加速鍵”
“作為生物育種技術(shù)的新銳，基于CRISPR/Cas系統(tǒng)的基因編輯技術(shù)被譽為近年來‘生命科學領(lǐng)域的革命性突破’，成為科技大國競爭激烈的戰(zhàn)略制高點。”在平臺啟用儀式上，濟南植物基因編輯產(chǎn)業(yè)化項目首席專家、美國科學院院士朱健康說，“基因編輯產(chǎn)業(yè)即將在全球范圍內(nèi)迎來發(fā)展機遇期，有望成為新的經(jīng)濟增長點。”
“該技術(shù)需要一個核心技術(shù)工具——基因編輯系統(tǒng)，它類似于計算機領(lǐng)域的操作系統(tǒng)。”汪杰說，“目前，科研和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用使用的基本都是基于CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)，而該系統(tǒng)專利，掌握在美國幾個實驗室和公司手里。”
2018年，濟南在國內(nèi)率先布局植物基因編輯產(chǎn)業(yè)化項目，通過政府扶持引導(dǎo)、頂尖團隊承接、市場化運作來共同推動基因編輯技術(shù)在生物育種領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。該項目成立山東舜豐生物科技有限公司進行產(chǎn)業(yè)化運作，通過搭建世界領(lǐng)先水平的植物基因編輯公共技術(shù)平臺、基因編輯底層技術(shù)研發(fā)中心、上下游企業(yè)總部基地，打造全鏈條科技創(chuàng)新孵化及產(chǎn)業(yè)化體系。
目前，濟南植物基因編輯產(chǎn)業(yè)化項目已取得一系列重要階段性成果。其中，聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)大學開發(fā)優(yōu)化的自主知識產(chǎn)權(quán)基因編輯系統(tǒng)——CRISPR-Cas12i和CRISPR-Cas12j，為基因編輯技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用掃除了“卡脖子”問題。他們還儲備了高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、綠色高效、營養(yǎng)健康系列產(chǎn)品，圍繞基因編輯共性關(guān)鍵技術(shù)進行了系統(tǒng)的專利布局，已申請專利100余項，其中PCT專利22項，獲得12項專利授權(quán)。
“基因編輯育種曾被部分人當成轉(zhuǎn)基因看待，但它和轉(zhuǎn)基因有本質(zhì)的區(qū)別。”汪杰說，“比如，我們通過對大豆代謝通路中一個基因進行精準編輯來實現(xiàn)高油酸。這些調(diào)控只是針對大豆自身的基因進行修飾，沒有插入外源的基因，不改變大豆本身的基因，它和轉(zhuǎn)基因完全是兩碼事。”
不久前，中國科學院植物所研究員景海春、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員田志喜、中國科學院院士種康和李家洋聯(lián)合撰寫，并刊發(fā)在《中國科學—生命科學》上的文章《分子設(shè)計育種的科技問題及其展望概論》中提到，目前多數(shù)基因組編輯技術(shù)形成的最終產(chǎn)品不含外源DNA片段, 只是編輯目標生物自身特定基因組序列。因此，美、日已對基因編輯的農(nóng)作物豁免轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品監(jiān)管程序，英國也將放寬針對基因編輯農(nóng)作物和動物的法規(guī)……
“之前監(jiān)管政策不很明朗，所以這方面的技術(shù)基本上都處于實驗室或小試階段，沒有推向應(yīng)用。”汪杰說，“濟南這個平臺啟動之后，研究和應(yīng)用推廣進程都會大大加快。接下來我們將圍繞基因編輯工具和技術(shù)創(chuàng)新、主要農(nóng)作物優(yōu)良種質(zhì)創(chuàng)制、特種加工用途作物性狀改良、定制化農(nóng)產(chǎn)品研產(chǎn)供銷體系的搭建、營養(yǎng)功能強化產(chǎn)品在大健康產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用及藥用植物功能活性物質(zhì)的開發(fā)等方面開展應(yīng)用合作。”
汪杰介紹說，目前不少成果在實驗中效果不錯，政策明朗后，這些技術(shù)很快會通過申報登記或經(jīng)安全評價后走向應(yīng)用。“樂觀的話，明年或后年，會在田間見到成果。”
讓精準育種“開花結(jié)實”
“人們把基因組學譽為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)研究的 ‘火車頭’、推進農(nóng)業(yè)生物育種的‘發(fā)射臺’。”馮佰利說，“我國已初步建立了‘種質(zhì)資源收集鑒選評價與種質(zhì)創(chuàng)新—基因組測序與分析—功能基因挖掘—分子設(shè)計育種—品種試驗示范推廣’的全產(chǎn)業(yè)鏈育種模式。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展以及人們對食品健康與營養(yǎng)需求，人們將通過全基因組分子設(shè)計育種進行個性化作物品種開發(fā)，研發(fā)個性化營養(yǎng)食品原料。”
馮佰利認為，目前我國基因組技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用還未達到成熟階段，數(shù)據(jù)需要迅速積累，理論需要不斷完善；大群體重測序和表型數(shù)據(jù)獲取的成本目前仍然較高；而且，缺乏高效、完整的數(shù)據(jù)庫服務(wù)系統(tǒng)。
因此，當前一是要加強種質(zhì)資源搜集、鑒選評價，加強優(yōu)異特色種質(zhì)資源的保護與利用。二是強化細胞工程育種、基因工程育種、分子標記輔助選擇育種等前沿研究，創(chuàng)新農(nóng)作物育種基礎(chǔ)理論，突破育種關(guān)鍵技術(shù)，破譯作物遺傳密碼，挖掘控制重要性狀的關(guān)鍵基因，實現(xiàn)從傳統(tǒng)“經(jīng)驗育種”到定向、高效的“精準育種”突破。三是要構(gòu)建高效、安全、快捷的評價技術(shù)平臺，建立生物安全評價及管理示范體系。
“基因組學的發(fā)展極大促進了精準設(shè)計育種研究，但實現(xiàn)精準設(shè)計育種，僅靠基因組還不夠。”田志喜對《中國科學報》說，“精準設(shè)計育種需要在加強基因組學研究的基礎(chǔ)上，整合表型的精準鑒定（精準表型組），對性狀的決定進行精準解析（包括控制基因，基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及之間的最佳耦合），闡明不同環(huán)境下不同性狀之間的協(xié)同耦合，進而通過多學科交叉（尤其是AI技術(shù)的引入，結(jié)合精準編輯、合成生物學等技術(shù)手段）對性狀進行精準改造。所以，應(yīng)該以基因組為基礎(chǔ)，加強大數(shù)據(jù)科學驅(qū)動的多學科交叉，最終實現(xiàn)精準設(shè)計育種。”
《中國科學報》 (2021-12-21 第3版 農(nóng)業(yè)科技)
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