高彩霞：植物基因的“剪刀手”

文|柴帆

高彩霞：植物基因的“剪刀手”

文|柴帆

導(dǎo)語高彩霞以及像她一樣用一生的時間致力于基因編輯研究的育種家們，就像《權(quán)利的游戲》中的長城守夜人一樣，守著一片方土，守著它的漫漫黑夜，直到黎明降臨。

6月21日凌晨，國際權(quán)威期刊《自然》網(wǎng)站在首頁顯著位置上線了一篇對10位中國科學(xué)家的特寫。經(jīng)過反復(fù)審議和討論，《自然》評選出了10位“中國科學(xué)之星”，在農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域，中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所植物細(xì)胞與染色體工程國家重點實驗室高彩霞研究員入選其中。

中國之星

2016年，因為韓春雨研究事件，讓公眾對基因編輯興趣盎然。隨之，它背后的科學(xué)家們也逐漸浮現(xiàn)在大眾視線，高彩霞便是其中之一。

第一次聽到高彩霞的名字，是從中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院的一位研究基因編輯的老師那里，那位老師這樣評價高彩霞：

“她是我們國內(nèi)在研究基因編輯的科學(xué)家里面真正做出實事的，也是真正有研究成果出來的科學(xué)家，我很佩服她?！?/p>

一頭精干的短發(fā)，一個憨厚的面龐，一口爽朗的話語是人們對高彩霞的第一印象。這個被《自然》雜志評選為“中國之星”的女人，在小麥抗白粉病生物技術(shù)領(lǐng)域有著卓越成就。

回想當(dāng)初，在剛開始使用橫掃全世界生物學(xué)實驗室的CRISPR並Cas9技術(shù)進行基因編輯的時候，高彩霞有些猶豫。那時候，她的實驗室已經(jīng)使用舊技術(shù)實現(xiàn)了82個基因的突變，在這樣的情況下使用新技術(shù)，無疑是大膽的，轉(zhuǎn)用新技術(shù)的念頭也無疑是讓人畏懼的。

高彩霞說：“一開始，我遇到了一些阻力，然后我們決定，無論如何，都得試試?！?/p>

通過一年的緊張工作，2013年，高彩霞團隊率先利用CRISPR/Cas系統(tǒng)對水稻和小麥的多個基因進行編輯，并且獲得了世界上第一株CRISPR編輯的植物。她所在的中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所的實驗室也由此成為第一個在農(nóng)作物，特別是小麥和水稻上成功使用這項簡潔的革命性基因編輯技術(shù)的實驗室。

2016年2月23日，國際著名技術(shù)評論期刊《麻省理工科技評論》公布了2016年十大技術(shù)突破。高彩霞和她團隊關(guān)于植物基因精準(zhǔn)編輯技術(shù)的研發(fā)成果名列其中。麻省理工科技評論指出，該技術(shù)能夠精準(zhǔn)、高效、低成本地進行植物基因組編輯，有望用于生物安全的作物遺傳改良和定向育種，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率，滿足日益增長的人口需求。

小麥抗白粉病

電影《剪刀手愛德華》講述的是機器人愛德華獨自在古堡生活，直到佩格誤闖城堡把他帶回了自己的家，與佩格的女兒金相戀后卻無法在一起的故事。愛德華的制造者是一個類似科學(xué)怪人的發(fā)明家，還沒來得及為他制作雙手便一命嗚呼，因此愛德華只有一雙異于常人的剪刀手。這雙剪刀手可以修建花園，可以修建頭發(fā)，不管是什么，只要在愛德華的剪刀手下，都是精美絕倫。

研究基因編輯的高彩霞就如那愛德華一般，擁有一雙神奇的剪刀手，這雙剪刀手，可以將植物的劣性基因敲出，從而使得植物保持優(yōu)良的發(fā)展特性。

小麥?zhǔn)侵袊酥潦澜缟现匾募Z食作物，為人類提供約20%的能量。白粉病是小麥的重要病害之一，嚴(yán)重影響到小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)。在與小麥親緣關(guān)系較近的大麥中，MLO基因的功能缺失突變使其對白粉病產(chǎn)生廣譜和持久的抗性。這種抗性在生產(chǎn)上已應(yīng)用了三十多年還沒有被打破，但由于生殖隔離，大麥的這種優(yōu)良性狀不能直接為小麥所用。

由于在普通小麥A、B、D基因組上MLO基因各有一個拷貝（TaMLOA1,TaMLO-B1,TaMLO-D1），對小麥MLO基因的缺失突變有望獲得具有廣譜抗白粉病的品種。

2014年高彩霞課題組與邱金龍課題組合作，利用基因組編輯技術(shù)首次在六倍體小麥中對MLO基因的三個拷貝同時進行了突變，獲得了對白粉病具有廣譜抗性的小麥材料。

這項研究利用TALEN技術(shù)在小麥MLO基因第二個外顯子的一個保守區(qū)設(shè)計了一對TALENs。在T0代轉(zhuǎn)基因植株中檢測到35個MLO基因突變體，這些突變體包含單拷貝，雙拷貝以及三拷貝的突變。經(jīng)過對獲得的突變體的后代分析表明，TALEN誘導(dǎo)的突變在小麥里可以穩(wěn)定遺傳到后代，并符合孟德爾遺傳規(guī)律。突變體材料經(jīng)過一代或兩代自交，獲得了MLO基因不同組合的純合突變體（tamlo-aa,tamlo-bb,tamlodd,tamlo-aabb,tamlo-aadd,tamlobbdd,tamlo-aabbdd）。

經(jīng)過對這些純合突變體接種小麥白粉菌，發(fā)現(xiàn)只有MLO基因在小麥A、B和D基因組上的三個拷貝同時突變的小麥純合突變體tamlo-aabbdd表現(xiàn)出對白粉菌極為顯著的廣譜抗性，而其他組合的突變體則和野生型一樣沒有表現(xiàn)出抗病性。高彩霞通過研究發(fā)現(xiàn)，小麥MLO基因的三個拷貝在功能上存在冗余，只有同時突變?nèi)齻€拷貝才表現(xiàn)出抗病性，這也可能是到目前為止在自然條件下或利用傳統(tǒng)育種手段而沒有獲得小麥mlo抗病材料的主要原因。

研究還利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)實現(xiàn)了對小麥MLO基因的定向突變，原生質(zhì)體和轉(zhuǎn)基因植物中的結(jié)果表明突變只發(fā)生在A基因組上。結(jié)果表明，在多倍體的小麥中，利用基因編輯技術(shù)既可以同時突變多個拷貝，也可以特異地突變單個基因拷貝。此外，研究還利用基因組編輯系統(tǒng)引發(fā)的DNA自身修復(fù)途徑非同源末端連接，在小麥里實現(xiàn)了基因的定點插入，插入的片段可以穩(wěn)定遺傳，這可用于創(chuàng)制不能由簡單基因敲除而產(chǎn)生的有價值遺傳特性。

小麥抗白粉病研究為小麥基因功能的研究以及培育小麥新材料或品種的創(chuàng)制提供了一個全新的思路和技術(shù)路線。得到了中國科學(xué)院重點部署項目、科技部以及國家自然科學(xué)基金的資助。

激流勇進的人生

小麥抗白粉病研究是高彩霞回國后在基因編輯領(lǐng)域所取得重要成就。明尼蘇達大學(xué)的植物生物學(xué)家丹尼爾·沃伊塔斯說：“如果我們想在基因工程方面獲得任何成就和經(jīng)驗的話，那靈活行事，適應(yīng)日新月異的新技術(shù)是必不可少的，彩霞就有適應(yīng)的能力?！?/p>

在高彩霞的整個職業(yè)生涯中，她一直都在適應(yīng)著新變化。上大學(xué)的時侯，高彩霞本想學(xué)醫(yī)，但被分配到了農(nóng)學(xué)專業(yè)。

高彩霞說：“我對農(nóng)學(xué)一點也不感興趣，但我的信條一直都是：只要干這一行，就要盡力而為。”

這個世界上，有人喜歡安逸，有人喜歡折騰，高彩霞便是折騰中的一員。她似乎永遠(yuǎn)在追逐著什么，每當(dāng)一個目標(biāo)達成的時候，她很少止步不前。高彩霞的生活就像激流勇進的波濤一般，劈波斬浪的一剎那，擊起朵朵浪花，有驚無險。

在完成關(guān)于草原生態(tài)學(xué)的博士研究后，高彩霞再次轉(zhuǎn)行，在丹麥羅斯基勒市的丹農(nóng)種子公司（DLF）從事植物基因工程工作。在任職于DLF公司的12年里，高彩霞實現(xiàn)了一次又一次的突破——完成了對幾種性狀的基因改造，包括控制重要草種的開花時間。

高彩霞以樂觀著稱，但再樂觀的人，在毫無進展而言的研究面前，也會難免有些煩躁。在尋找將外來基因植入草中的方法時，因許多草類都難以改造，而且每一個物種，或者甚至同一物種內(nèi)的基因變異型都有可能需要特殊的生長條件組合，這是非常磨人的，這項工作讓高彩霞備受煎熬，即便如此，她仍然沒有放棄。

高彩霞的同事勞斯·尼爾森說:“她一直在堅持。到最后，她能在顯微鏡下看到其他人都看不到的東西，每一次，她都在做出突破?！?/p>

她和它的未來

對基因編輯的作物，美國選擇部分承認(rèn)。但是，在歐洲，大多數(shù)國家還在考慮階段，歐洲對基因改造作物的懷疑讓高彩霞對自己的工作能否走出實驗室感到悲觀。高彩霞說:“讓一種作物上市非常困難，到最后，工作本身也無法再激勵你了?！?/p>

研究成果的未來不明以及讓孩子回到中文和祖國文化環(huán)境的愿望促使高彩霞選擇了回國。對于回到祖國，高彩霞認(rèn)為這是做的最正確和最有意義的一件事情。

在我國，官方對于資助農(nóng)業(yè)研究的重視程度要高于歐洲。雖然對基因編輯的作物持觀望態(tài)度，但并未限制其發(fā)展。高彩霞認(rèn)為中國在不久的未來也將對基因編輯的農(nóng)作物會有明確表態(tài)，她覺得自己的研究成果進入市場是非常有希望的。就在近期，美國農(nóng)業(yè)部已宣布高彩霞團隊創(chuàng)制的抗白粉病小麥?zhǔn)欠寝D(zhuǎn)基因產(chǎn)品，不受轉(zhuǎn)基因法規(guī)管控，抗白粉病小麥可直接進入大田驗證其抗病性及其它相關(guān)性狀。

植物基因精準(zhǔn)編輯技術(shù)是我國科學(xué)家在農(nóng)作物育種及基因改良技術(shù)創(chuàng)新上的重大突破，也為我國農(nóng)作物育種研發(fā)實現(xiàn)彎道超車提供了機遇，對我國搶占下一代的生物技術(shù)育種的發(fā)言權(quán)具有標(biāo)志性意義。高彩霞以及像她一樣用一生的時間致力于基因編輯研究的育種家們，就像《權(quán)利的游戲》中的長城守夜人一樣，守著一片方土，守著它的漫漫黑夜，直到黎明降臨。

或許，未來三五年之內(nèi)，中國對于基因編輯的農(nóng)作物的態(tài)度將會隨著發(fā)展和歐洲的逐漸認(rèn)可而變得明朗起來。彼時，育種家們將會迎來他們的黎明，基因編輯也將迎來屬于它的黃金時代。

（注：本文部分資料根據(jù)《自然》、中科院網(wǎng)站、《麻省理工科技評論》綜合整理。）