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为了养活14亿人口,中国加大对基因编辑农作物的投入
时间:2019-08-06 14:33:11来源:BioWorld
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提要:水稻的基因组只有人类的八分之一,因此获得成功相对容易,而普通小麦是异源六倍体,小麦染色体几乎是人类的六倍,但是,高彩霞很快在小麦上成功进行了CRISPR基因编辑。
为了养活14亿人口,中国加大对基因编辑农作物的投入

  高彩霞,中国科学院遗传与发育生物学研究所植物细胞与染色体工程国家重点实验室研究员,博士生导师。是一位在作物改良领域工作的植物科学家。

  高彩霞是中国政府押注 CRISPR 基因编辑能改变中国粮食供应的一张名片。

  就在几年前,一种细菌的天然免疫系统 CRISPR,在美国和欧洲的实验室中变成了一个强大的基因组编辑器。

  而如今,中国人发表的 CRISPR 在农业领域应用的论文数量位居世界第一,而且足足有世界第二多的美国的两倍。

  面对这一领先优势,高彩霞开玩笑说是因为「我在中国」。

  第二代基因编辑工具 TALEN 的发明者,明尼苏达大学圣保罗分校的植物遗传学家 Daniel Voytas 认为高彩霞是一个杰出的生物学家,高彩霞早早地跳入 CRISPR 的浪潮中,并很快站在了浪潮之巅。

  高彩霞在中国并不孤单,她的团队是使用 CRISPR 修改农作物基因的 20 个团队之一。高彩霞说:所有实验室都使用 CRISPR 进行基础研究,如果没有 CRISPR,这些实验室就无法生存。

  2017 年,中国将其在 CRISPR 领域的努力扩展到国外,国企中国化工集团耗资 430 亿美元收购了总部位于瑞士的先正达(Syngenta)集团。先正达是世界四大综合性农业公司之一,拥有一只强大的 CRISPR 研发团队。

  先正达北京研发中心的负责人 Zhang Bei 认为,中国领导人希望战略性投资基因组编辑,不仅仅是追赶,而是成为这一领域的全球领导者。

  中国农业科学院前院长、前农业部副部长李家洋院士认为,中国可能有一天需要 CRISPR 修饰的农作物为其庞大的人口提供足够的粮食。我们希望用最少的肥料和杀虫剂在来获得最高产量,并培育具有抗病虫害能力以及抗旱和耐盐性的超级作物品种。所有这些都意味着我们需要找到关键基因并进行研究。

  然而,CRISPR 基因编辑农作物在从实验室转移到农场和餐桌前之前,中国还需要解决如何规范 CRISPR 工程作物的问题,而这个问题在许多国家都存在很大的分歧。

  2018 年,欧洲法院裁定 CRISPR 基因编辑作为属于需要严格管制的转基因生物(GMO),这一裁定引发巨大争议。

  相比之下,美国农业部则认定将基因组编辑植物不属于转基因生物,只要它们不是通过转移来自其他物种的 DNA 产生,而是通过诱导天然基因突变或通过常规育种突变产生。

  中国消费者对转基因食品持谨慎态度,中国也严格限制转基因作物的进口,国内唯一种植的转基因食品时木瓜。但是对于 CRISPR 基因编辑,中国正在追随美国的脚步。

  其实,年轻时高彩霞并没有梦想成为一名植物学家,高彩霞本想学医,但是高考成绩不理想的她,不想重新参加高考的她选择去了甘肃农业大学。

  高彩霞说,她对农学一点也不感兴趣,但她的信条一直都是:只要干这一行,就要尽力而为。在中国农业大学完成关于草原生态学的博士研究后,高彩霞再次转行,在丹麦的丹农种子公司(DLF)从事植物基因工程工作,而后回到中国开始植物育种的研究。

  2012 年 6 月,Jennifer Doudna 和 Emmanuelle Charpentier 合作在 Science 杂志发表了一篇具有划时代意义的论文。这篇论文揭示了 CRISPR 系统在细菌免疫中的作用和机制,为 CRISPR 基因编辑的应用奠定了坚实的理论基础。

  在阅读了这篇具有里程碑意义的研究论文后,高彩霞并没有立即接受 CRISPR,因为当时高彩霞实验室使用 TALEN 基因编辑工具已经获得了稳定的成功。高彩霞实验室用 TALEN 已经成功敲除了 100 多个基因,面对一种突然出现的新技术,是否应该尝试,这是一个问题。

  2013 年 2 月 15 日,张锋团队发表 Science 论文,率先将 CRISPR 基因编辑技术成功应用于小鼠和人类细胞,这篇论文宣告了 CRISPR 基因编辑时代的到来。

  2013 年 8 月 8 日,高彩霞课题组在 Nature Biotechnology 杂志发表论文,使用 CRISPR 基因编辑修改了水稻的 DNA,这是高彩霞第一次发表 CRISPR 基因编辑植物的研究。

  这是高彩霞第一次发表 CRISPR 基因编辑植物的研究,也是世界第一篇基因编辑植物的论文,如今高彩霞已经发表了超过 30 篇论文,在各种农作物上使用基因组编辑器。

  水稻的基因组只有人类的八分之一,因此获得成功相对容易,而普通小麦是异源六倍体,小麦染色体几乎是人类的六倍,但是,高彩霞很快在小麦上成功进行了 CRISPR 基因编辑。

  2014 年 7 月 20 日,高彩霞团队在 Nature Biotechnology 杂志发表论文,使用 CRISPR 基因编辑修改了六倍体小麦的 DNA,成功使编辑后的小麦不再受小麦白粉病的影响。

  使用传统的育种方法,想要获得这一成果,几乎是不可能的,因为小麦有六个关键基因拷贝,想淘汰所有这些拷贝需要漫长的时间传代。 

  至此,CRISPR 基因编辑成功应用到了中国最主要的两种粮食作物 —— 水稻和小麦。

  CRISPR 基因编辑相比于上一代基因编辑技术 TALEN,更简洁也更高效,但是 CRISPR 有其局限性性。

  2019 年在 4 月 19 日,高彩霞团队在 Science 杂志发表论文,表明基于 CRISPR 技术的单碱基编辑技术会产生许多意想不到的「脱靶」突变。而且尽管 CRISPR 可以有效敲除了现有基因,但它很难有效地添加新基因。

  目前,科学家还依赖于被称为基因枪的繁琐注射装置,或是土壤脓杆菌来将 CRISPR 基因编辑工具递送到植物细胞中,因此科学家们一直在寻找更简单的方法。

  中国的新收购先正达公司开发了一个更优雅的方法,通过玉米花粉,将 CRISPR 工具递送进入植物细胞,进行基因编辑然后消失。

  今年 2 月,美国的 Calyxt 公司上市了第一个基因编辑的食品,用 TALEN 基因编辑技术创造的「健康」豆油,这种豆油的反式脂肪含量为零,油酸含量为 80%,油炸时的使用时间延长三倍,保质期也更长。

  中国种植了大量的玉米,但是中国的玉米亩产仅有美国的 60%,因为美国超过 80% 的种植玉米都经过了精心修饰,具有抗虫基因。因此中国虽然大量种植玉米,但依然必须进口大量玉米。所以 CRISPR 改良玉米将是中国的一个大好机会。

  尽管高彩霞等人已经准备好了基因编辑作物,但是,还必须等待政府部门确定监管政策。

  如果中国监管机构为 CRISPR 基因工程作物打开大门,高彩霞在实验室和试验田中开发的作物需要多长时间能够进行商业化种植呢?

  面对这个问题,高彩霞认真地说道,只要六个月,这就是为什么选择了 CRISPR。

 
参考内容:
https://www.nature.com/articles/nbt.2650

https://science.sciencemag.org/content/337/6096/816

https://www.nature.com/articles/nbt.2969

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