基因編輯技術在農業上的應用

來自專欄 知識分子

撰文 | 劉奕 王俏琦 張波 章元兵 張子恆 周爽*

（上海科技大學生命科學與技術學院）

責編 | 葉水送

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

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俗話說，民以食為天。基因編輯技術不僅在醫學上有很大的用途，在農業應用中也能大顯身手，基因編輯技術不僅能讓我們吃飽，而且還能夠吃得更好。

基因編輯讓西紅柿更美味

很多人都吃過西紅柿。有人喜歡切片沾糖涼拌，有人喜歡西紅柿炒蛋。但大家有沒有注意過，市場上能買到的西紅柿分好幾個品種，有的又大又甜，有的又小又酸，還長得歪瓜裂棗的。既然都是西紅柿，為什麼它們有那麼大的區別呢？

這些差異源於西紅柿不同的基因調控。基因就像一本教科書，告訴西紅柿應該怎麼長。既然西紅柿不是生來就註定被人類吃掉，它們的基因教科書自然也不會教它們怎麼更容易地被人吃掉。

西紅柿的先祖不長這樣，它們現在的樣子得益於人類數百年來的培育。人工育種時常會遇到一個這樣的哲學問題：為什麼把幾個好品種一起培育的時候，反而組合出了一些不好的後代，而好的品種和不好的品種雜交的後代卻更好？造成這個問題的主要原因是，在基因在重組時，往往會丟失掉一些已經「寫好的段落」，而換上一些不好的。

所以科學家選擇了CRISPR來解決好片段丟失，而帶來口味不佳的問題，這種技術就像是基因教科書上的「修正帶」和「熒光筆」，可以有目的地修改和編輯基因。有的基因教科書上的段落寫得不好，就可以用修正帶去掉錯誤內容，甚至在原來段落上加上更好的內容，從而得到更好的西紅柿品種。

?圖片來自http://cen.acs.org

美國冷泉港實驗室Zachary Lippman教授一直熱衷於西紅柿品種的改良，他將CRISPR當作熒光筆使用，去強調了一些基因教科書上的重點段落。這些段落叫做數量性狀決定段落（QTL，quantitative traits locations），在這些決定段落前面打個「五角星」，西紅柿就知道要重點關注這些地方；而同樣地，可以用「熒光筆」叉掉一些不需要的「段落」，就少表達這些地方，這相當於用「修正帶」去刪除基因。給基因劃重點可更靈活地讓西紅柿產量得到提高，避免了之前人工育種遇到段落丟失的問題。即使多划了一處重點，或者劃錯了一處重點，其影響也比較小。

CRISPR還能夠通過控制西紅柿的其他基因，在不影響果實本身的基礎上，讓西紅柿長得更好，正所謂「醉翁之意不在酒」，如修改西紅柿的分支和開花數量，可把營養集中於更少的西紅柿果實上，讓它們變得更美味；修改西紅柿柄的形狀和枝節的牢固程度，可讓西紅柿在枝頭上掛得時間更長，不容易掉到地上腐爛；修改西紅柿開花和結果的周期，讓西紅柿在中高緯度等寒冷的地方也能更快地成熟。隨著科學家對西紅柿的基因理解越來越深入，CRISPR作為「修正帶」和「熒光筆」可更好地注釋這本基因教科書，推出更新版的教科書。

如何讓水稻主動遠離污染

水稻是中國人的重要主食，科學家也不懈地進行水稻品種改良。家喻戶曉的袁隆平院士致力於通過水稻雜交技術得到了超級水稻，解決了億萬人口的吃飯問題。現在有了CRISPR技術，新型水稻品種的研發也如虎添翼。

?圖片來自genetic literacy http://project.org

水稻的生長需依賴土壤和農民不斷地灌溉。但由於廢棄電池的胡亂丟棄和一些金屬電鍍工業廢水的排放，土壤本身和用於灌溉水稻的水，都被「鎘」等重金屬污染。「鎘」可不是什麼好東西，它會在人體內緩慢堆積，你吃進去多少，就留下來多少，量一多問題就來了。上世紀60年代，日本出現過一種怪病——痛痛病，患病的人渾身關節疼痛，難以忍受，最後查明是由於工業廢水排放的鎘污染造成人體內鎘含量超標。

水稻中就是有這樣一些基因，在它們的調控下水稻會吸收土壤以及灌溉水中的鎘離子與其它的重金屬離子，在水稻被人吃掉後，重金屬離子就會堆積在體內。相對於玉米和其它糧食作物而言，水稻的產量改良已趨於完善，而除去鎘對水稻的污染成了棘手的問題，超級稻和雜交稻還對鎘元素的親和能力更強。如何規避水土污染對水稻品質造成的危害，看上去成了一個兩難的問題。

解鈴還須繫鈴人，袁隆平帶領團隊用CRISPR技術來挑戰這個問題。鎘離子要想進入水稻，首先要從土壤進入水稻的根部，再通過內部的管道，轉運到水稻的胚芽中，最後被人吃掉吸收。所以袁隆平選擇從水稻根部入手，利用CRISPR技術修改掉根部細胞中調控金屬離子跨膜轉運蛋白、韌皮部鎘轉運蛋白等，多個鎘吸收相關蛋白的基因的表達量，以達到降低水稻胚芽中鎘離子濃度的目的。但這些蛋白除了吸收鎘離子之外，還會吸收錳原子等水稻生長必須的離子。所以這個問題不僅是個定性問題，更是個定量問題。結合原先水稻雜交技術，袁隆平篩選出了在儘可能不影響產量的情況下，含鎘量更少的新一代抗鎘超級稻。

除此之外，中科院上海植物逆境生物學研究中心朱健康研究組也利用CRISPR技術實現了對水稻的多基因編輯。

為農作物的生長保駕護航

CRISPR不僅能直接修改基因，來優化農作物的果實，還能通過其他的方式保護農作物的茁壯成長。很多昆蟲會將農作物作為食物，影響農作物的正常生長。由於昆蟲會自己分泌抗菌肽而抵抗各種病原菌的感染，所以在自然條件下的昆蟲對周圍環境有很強的抵抗力，法國的科學家Emmanuelle Jacquin-Joly將CRISPR技術用於防止蟲害。他們將一種鱗翅目害蟲的特定氣味感受分子從基因組中敲除，並發現70%的後代可以遺傳這種突變。通過放飛一些「間諜昆蟲」來傳播「聞」不到作物的氣味的基因，讓農作物免收摧殘。事實上，研究者還可直接通過CRISPR改造出帶有「不孕不育」基因的「間諜昆蟲」，直接讓害蟲「斷子絕孫」。

傳統防止病蟲害的方法是使用殺蟲劑和抗生素，但濫用讓植物的病蟲害愈演愈烈。單一種作物使用同種抗蟲劑或抗生素久了，會讓病蟲害體內產生耐受基因，最後導致無葯可用。同時種植種子的單一化也容易帶來植物間的「傳染病」，如《星際穿越》中描述的枯萎病一樣，當一種病蟲害完全免疫了現有的所有抗生素或殺蟲劑，甚至可能毀掉一個國家的農業。CRISPR技術能讓植物本身帶上抗性基因而不是通過外用抗生素或殺蟲劑達到效果。康奈爾大學的Adam Bogdanove和其合作者JanLeach在研究如何激發水稻本身的免疫系統，讓其能抵抗細菌性條紋和枯萎病在內的多種疾病；新澤西州立大學的研究人員通過CRISPR研發出能自身抵抗霜霉病的釀酒葡萄；中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員高彩霞將抵抗白粉病的基因引入了小麥中。

微生物通常和植物有著共生關係，如根瘤菌常常和豆類植物相互依賴、共同生存，因為根瘤菌有極強的固氮作用，能將空氣中的氮氣轉化為植物生長所需要的原料。華中農業大學端木德強教授課題組通過CRISPR修改一種豆科植物百脈根的共生固氮作用的相關基因，以研究其機理並改進這種共生關係，進而實現對植物成長的調控，促進植物生長。

對植物/作物品種的優化

CRISPR也能讓一些觀賞植物變得更加豐富多彩。牽牛花顏色由一個色素催化相關基因（DFR-B）控制，相當於對應基因教科書中的一行，把它刪掉後，牽牛花花瓣就從高貴的紫色變成了純潔的白色。而通過進一步的基因修飾，可通過精確控制色素酶表達量的多少，來決定牽牛花的顏色，或者通過基因改造來達到不同的顏色，這是多麼神奇。而另外一些植物的顏色變化是由於氧化作用，把A顏色分子加上一個氧原子，就變成了B顏色分子。比如常見的蘑菇，通過對多酚氧化酶（PPO）來控制顏色的深淺，如果調控這些酶的表達，蘑菇就會顯示一個深度的顏色，或者保持白色。

今天我們吃到的植物，無不是人類長期培育得到的。CRISPR技術的誕生，不僅僅可以加速人類去探索更多未知的植物基因功能，更好地注釋這本基因教科書，也能讓我們在理解基因功能的基礎上，去使用它。

相對於醫學和動物而言，植物CRISPR的脫靶問題顯得不那麼嚴重。最近，美國食品藥品監督管理局（FDA）發布了新規，撤銷了對CRISPR作物的嚴格管控，將CRISPR立為支持發展的項目，鼓勵CRISPR植物的種植試驗。

未來CRISPR可被用作一種開發更有價值作物的工具，通過對農作物基因進行直接改造，在安全性受保障的前提下，使得農作物質量得到更大的提升。這樣的作物在不久的將來，就能飛入尋常百姓家，來到我們的餐桌上，而不是僅僅活躍於實驗台上。

*註：本系列文章由上海科技大學生命科學與技術學院劉冀瓏教授主持策劃。

製版編輯：黃玉瑩 |

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