基因編輯 拯救柑橘

石楠

佛羅里達州是美國重要的柑橘產區(qū)，近年來，柑橘黃龍病對這里所有的柑橘樹造成了巨大的威脅?？茖W家們正試圖通過一種新技術對柑橘的基因進行修改，以得到對黃龍病免疫的柑橘樹種。

生病的柑橘樹

正是柑橘成熟的季節(jié)，柑橘種植農布萊克卻憂心忡忡。他查看著自家的柑橘樹，從樹葉上拂下幾個小小的灰點，那是亞洲柑橘木虱。這種小蟲比一粒米還小，但它們傳播的柑橘黃龍病卻足以毀掉佛羅里達州整個柑橘產業(yè)。

從19世紀50年代開始，布萊克家族就在佛羅里達州種植柑橘，至今已經過了五代。布萊克家族經歷過颶風、霜凍和害蟲帶來的種種打擊，但在過去十年左右的時間里，他們眼看著黃龍病變成了最嚴重的災難。

柑橘葉片上長黃斑是柑橘黃龍病的代表性癥狀。在布萊克的柑橘林中，幾乎所有正在結果的柑橘樹都感染了這種疫病。造成黃龍病的病原體是一種韌皮部桿菌，這種病菌會入侵并阻塞柑橘樹的韌皮部。韌皮部是植物體內運輸有機質（主要是糖分）的內部管道系統(tǒng)，植物葉片光合作用產生的糖分會通過這些管道運到根部、枝干和果實。當柑橘樹的韌皮部被阻斷時，其光合作用和營養(yǎng)供應都會受到巨大的影響。一些柑橘樹可能因此“餓死”，幸存的樹木結出的果實也常常是酸澀、畸形的。在1997年，這個行業(yè)的鼎盛時期，佛羅里達州的柑橘種植面積超過4000平方千米，產量高達2.44億箱。然而，由于黃龍病和“厄瑪”颶風的“兩連擊”，2018年該州柑橘的預期產量僅有4600萬箱，這是自二戰(zhàn)以來產量最低的一年。美國農業(yè)部已經花費了近5億美元來對抗黃龍病，但至少在目前，美國還不得不從巴西進口橙子等柑橘類水果。

除了柑橘以外，很多農作物都飽受病蟲害的威脅?，F(xiàn)代農業(yè)大多采用單作模式，即在大片土地上種植單一的作物，這些作物在基因上高度相似，便于統(tǒng)一管理和收獲。但這也意味著，當疫病發(fā)生時，同種作物會接連被感染。此外，貿易全球化也意味著疫病可以傳播得更快更遠，而氣候變化會影響昆蟲的分布，導致某些地區(qū)出現(xiàn)新的害蟲，帶來新的病原體。另一方面，隨著人口增長，人們對食物的需求也越來越大，到2050年，全球農業(yè)要為100億人提供口糧。而一種新興的基因工程技術——基因編輯可能是解決這些問題的關鍵之一。

基因編輯解決方案

2005年，美國邁阿密的柑橘首次出現(xiàn)了黃龍病感染，這令全美國的柑橘種植者感到擔憂。這種來自亞洲的疫病早已臭名昭著，因為早在一個世紀前，黃龍病就曾對中國的柑橘種植業(yè)造成過巨大打擊。隨后，黃龍病在美國蔓延，與此同時，全世界還有幾十個國家也出現(xiàn)了不同程度的黃龍病疫情。

當黃龍病在佛羅里達州肆虐時，遺傳學家弗雷德·格米特等科學家從柑橘行業(yè)組織申請到一筆資金，用以對柑橘樹的基因進行測序?？茖W家們認為，他們也許能從柑橘樹的基因圖譜中找到某種遺傳學解決方案的思路。在眾多病樹中間，科學家們發(fā)現(xiàn)了一些強大的“幸存者”。這些樹雖然會被感染，但癥狀較輕，并能結出健康的果實。研究人員正試圖找出它們體內與抗病性相關的基因。

當他們在2011年發(fā)布第一個柑橘基因組序列時，測序技術的成本已經大幅下降。第二年，CRISPR基因編輯技術誕生了。這項技術為植物育種帶來了新的可能。

相比以往的轉基因技術，基因編輯技術更加精準、快捷，而且成本也較低。這一技術的另一個優(yōu)勢是：通過基因編輯，科學家可以在不引入外源遺傳物質的前提下對植物基因組進行修改，這樣就可以繞過轉基因這一“雷區(qū)”。

在植物中進行基因編輯的難點之一是，怎樣把CRISPR組件導入植物細胞內。過去，科學家使用農桿菌將相關序列導入植物細胞中，但這種方法仍然屬于轉基因的范疇。最近，研究者開始使用“基因槍”將CRISPR組件直接“射入”細胞?；驑尲葲]有槍管也沒有扳機，它發(fā)射的“子彈”是納米級的金粒子。科學家將CRISPR組件包裹在金粒子表面，通過基因槍將其高速發(fā)射，這些粒子就會穿透植物細胞膜，將CRISPR組件導入細胞。

經過基因編輯的植物細胞還只是單個的細胞，科學家們使用組織培養(yǎng)技術將它們培育成一棵棵小苗。這項技術依賴于植物細胞的全能性。每個單獨的植物細胞在一定的條件下能發(fā)生脫分化，成為全能的“干細胞”，并增殖分化成為完整的植株。

希望的樹苗

在佛羅里達大學柑橘研究和教育中心，生物學家王年和他年輕的團隊正試圖通過基因編輯技術培育出一種抗黃龍病的柑橘。對柑橘進行基因編輯是一項很有挑戰(zhàn)性的工作，柑橘并不是模式生物，它們的基因組相當復雜。所幸，所有的柑橘屬植物（包括檸檬、柚子、橘子和橙子等）在基因上都非常相似，這意味著相同的基因編輯方案可用于多個物種。

具有諷刺意味的是，科學家們還沒能在實驗室里培育出黃龍病的病原體，這使得研究變得更加困難。另一個障礙是，黃龍病是一種相對較新的疾病，因此植物自身對其抵抗力很弱，缺少具有研究價值的抗病基因。科學家們研究了柑橘的進化史后發(fā)現(xiàn)，盡管人類種植柑橘的歷史已有幾千年，但柑橘黃龍病直到最近幾個世紀才出現(xiàn)。柑橘類植物還沒能在這么短的時間內發(fā)展出抗病能力，即使是野生的柑橘種類也飽受黃龍病的摧殘。

那么，如果科學家能對柑橘這樣復雜的植物進行基因編輯，他們的經驗對其他作物的基因編輯也會很有用。王年團隊在過去的一年取得了重大突破，他們已經確定了13種可能導致柑橘易感染黃龍病的潛在基因?，F(xiàn)在，他們正用基因編輯技術來敲除這些基因。研究人員并不知道哪個或者哪幾個基因是抵抗黃龍病的關鍵，因此，他們嘗試了所用可能的組合。

經過基因編輯的植株都先被放置在培養(yǎng)間。在這個略顯擁擠的小房間中，植物生長燈照亮了架子上一排排培養(yǎng)皿和培養(yǎng)瓶。這些小小的瓶子里可能裝著柑橘種植業(yè)救星，但答案要在幾年后才能揭曉。

柑橘樹需要數(shù)年才能達到成熟期。在編輯了柑橘樹的基因組后，研究人員將不得不耐心等待小樹苗長大。兩年之后，他們才能將植物暴露在柑橘黃龍病中。只有到那時，研究人員才知道這棵樹是否對其具有免疫力。即便這一步取得了成功，他們還得再等上幾年才能讓抗病植株結出果實，以確保果實風味不減。

盡管距離培養(yǎng)出抗黃龍病柑橘還有很長時間，但這項工作已經給柑橘種植業(yè)帶來了一些希望。培養(yǎng)瓶中的小苗長大后就會被種在溫室里。溫室里有一棵健康的葡萄柚樹，這是經過基因編輯的抗柑橘潰瘍?。ㄒ环N危害較大的柑橘疫?。┑闹仓?。

轉基因、基因編輯與農業(yè)的未來

據(jù)估計，到2050年全世界總人口將達到97億，更多的人口意味著對衣食住行更多的需求，而其中最基本的就是食物。舉例而言，到2050年，全球糧食產量至少要比現(xiàn)在增加一倍，才能喂飽那么多人。

另一方面，氣候變化會給農作物生產造成更多障礙。越來越多極端天氣的出現(xiàn)將給農作物生長帶來重重困難；而由于氣候變暖，生活在溫暖地帶的昆蟲和病菌可能會擴散到原本較為寒冷的地帶，帶來更多植物病蟲害。

面對這樣的困境，我們必須采取一系列措施，比如改進農業(yè)管理技術，培育高產抗病的新品種作物等。隨著分子生物學的進步，基因工程育種已成為頗具潛力的育種方法。

然而，轉基因育種的發(fā)展并非一帆風順。除了本身的技術難題和成本問題外，公眾對轉基因技術的不信任也是一大阻礙。轉基因作物的推廣不太順利，傳統(tǒng)的育種方法又過于低效，科學家不得不開始考慮其他的育種方法。最近，很多育種專家把目光投向了正在蓬勃發(fā)展的基因編輯技術。

轉基因農產品的困境

很多人對轉基因作物抱著懷疑甚至抗拒的態(tài)度。但實際上，轉基因作物的加工制品在我們的日常生活中隨處可見。以美國為例，美國種植的玉米和大豆大部分都是轉基因品種，而這兩種作物被廣泛用于食品工業(yè)。大豆油、大豆蛋白、玉米淀粉、玉米糖漿等常見的食品原料通常都是由轉基因作物制成的。制造奶酪的凝乳酶也來自經過基因改造的微生物。

轉基因玉米和大豆早在20世紀90年代中期就在美國上市。最初對轉基因作物的反對聲音來自種植這些作物的農民，他們的不滿主要是針對生產轉基因種子的企業(yè)而非轉基因本身。因為這些企業(yè)提高了種子和農藥售價，并實施過度嚴苛的專利保護政策，很多農民頗有怨言。后來，一些普通民眾也對轉基因產物產生了不滿和質疑。

美國國家科學院在2016年發(fā)布的一份大規(guī)模研究報告表明，轉基因作物是安全的，且與常規(guī)作物的營養(yǎng)價值沒有差別。但公眾對轉基因的認識還很模糊。就在2016年，美國一項民意調查顯示，絕大多數(shù)人表示轉基因沒有什么了解；大約一半人不確定他們是否吃過轉基因食品；雖然有16%的人表示自己對轉基因生物十分關心，但他們的看法基本上是負面的。

市場營銷助長了公眾對轉基因的偏見。美國一些超市有“非轉基因農產品”專區(qū)，很多食品的包裝上也貼著“非轉基因”的標簽——盡管大多數(shù)農作物根本沒有轉基因的品種。食品生產商將“非轉基因”視為一種宣傳口號，這就是為什么有“非轉基因天然鹽”這樣的產品出現(xiàn)的原因，而顯然，氯化鈉根本沒有DNA。這就是一種營銷的噱頭，不算高明但很有效。

很多科學家相信，轉基因育種有可能解決從作物病蟲害到農藥濫用等各種問題。但消費者的態(tài)度也影響了農民對作物品種的選擇，盡管美國監(jiān)管部門不要求對轉基因農產品做特別標示，農民也不愿意冒險種植消費者可能不喜歡的作物。

基因編輯——育種學的未來

近幾年，基因編輯技術飛速發(fā)展，給作物育種帶來新的希望。常規(guī)的轉基因技術通常涉及在作物基因組內插入來自完全不同物種的DNA，且插入位點無法控制，而基因編輯則可以針對特定位點對作物基因組進行精確可控的修改。經過基因編輯的作物，既不含其他物種的基因，其基因組與常規(guī)作物的基因組也只有微小的差別。在自然條件下，植物體內也會發(fā)生基因突變、缺失和重組，基因編輯從結果上看和這些自然變異是類似的，只是省去了人工篩選的程序。

2016年4月，美國農業(yè)部（USDA）為第一批CRISPR編輯作物開了綠燈，包括一種能抵御褐變的蘑菇和一種不含直鏈淀粉、只有支鏈淀粉的糯玉米。在此之前，已經有一些通過其他技術“編輯”過的作物獲批上市。美國農業(yè)部在一系列文件中解釋道，這些新型基因編輯作物不需要作為轉基因生物（GMO）進行管理，因為它們與傳統(tǒng)培育的植物基本上沒有區(qū)別。

相比轉基因大國美國，歐洲各國對基因編輯的態(tài)度要謹慎得多。一些歐洲國家對轉基因農產品有著嚴格限制，盡管目前這些國家的政府對農作物基因編輯采取不干預的態(tài)度，但一些民眾認為，政府應該像對轉基因作物一樣對基因編輯作物進行嚴格監(jiān)管。

基因編輯技術能否擺脫“轉基因”的陰影？它會對未來的農業(yè)產生多大的影響？現(xiàn)在看來還都是未知數(shù)。

基因編輯與CRISPR-Cas系統(tǒng)

CRISPR/Cas系統(tǒng)是目前最常用的基因編輯工具，它是一種存在于很多原核生物（細菌、古菌）中的一種后天免疫系統(tǒng)。當細菌被病毒侵染時，它們會把入侵者的DNA片段整合在自己基因組的CRISPR序列中，作為“通緝照片”。當同樣的病毒再次“入侵”時，細菌就能迅速識別這段序列，并轉錄出一種特殊的RNA（crRNA），引導Cas蛋白在特定位置剪切病毒的DNA，使其失活。

2012年，美國生物學家詹妮弗·杜德納與法國生物學家埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶聯(lián)合進行了一項研究，她們利用人工合成的crRNA序列和一種Cas蛋白（Cas9），在體外進行了DNA序列的精準剪切。隨后，對基因編輯的研究突飛猛進?，F(xiàn)在，科學家已經可以利用CRISPR/Cas系統(tǒng)精確地在動植物基因組中定位和修改特定的基因。