CRISPR技術(shù)加速改變我們種植農(nóng)作物的方式

編譯 毛毛熊

人們花費了數(shù)千年的時間將豌豆大小的水果培育成美麗的牛排番茄?，F(xiàn)在，通過基因編輯技術(shù)，科學(xué)家可以改變我們的世界。

扎克·李普曼（Zachary Lippman）身材消瘦，留著濃密的頭發(fā)和胡須。他站在位于美國長島中部的一個溫室內(nèi)，周圍生長著繁茂的農(nóng)作物。雖然已經(jīng)4月中旬，仍有可能下雪，他不得不考慮將溫室中精心培育的西紅柿植株遷移到其他地方。

李普曼在美國康乃狄格州長大。他最早關(guān)于種植的記憶是在他6至7歲的時候，和父親一起去參觀附近的一個農(nóng)場。當(dāng)李普曼13歲時，在這里度過了整個夏天，這大大培養(yǎng)了他對植物的興趣。當(dāng)1996年從高中畢業(yè)時，李普曼決定進(jìn)入植物育種和遺傳學(xué)領(lǐng)域，先是在康奈爾大學(xué)，而后轉(zhuǎn)至冷泉港實驗室，并在那里獲得了博士學(xué)位，如今他在霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所任研究員。

李普曼帶我穿過了溫室內(nèi)數(shù)百株西紅柿植株。有一部分幼苗剛剛萌芽，其他植株就開始綻放黃色的花朵了。還有一些植株，由于紅色番茄剛剛開始成熟，這些番茄都壓彎了整個植株。

是什么原因使得這個溫室與眾不同？是什么原因使得這里成為植物生物學(xué)革命的中心？在這座溫室里，超過90%的西紅柿植株都通過CRISPR/Cas-9基因編輯工具進(jìn)行了改良。李普曼和他在紐約的長期合作者——喬伊絲·范埃克（Joyce Van Eck）是一部分研究人員的縮影：使用基因編輯工具將番茄改造為植物學(xué)研究的模型。

看著壓彎的植株，李普曼解釋說，這是一種被人們稱為“無關(guān)節(jié)”的突變品種。大多數(shù)的番茄品種在其莖上都有一個膨脹的結(jié)構(gòu)。當(dāng)番茄成熟時，膨脹組織中的細(xì)胞會收到凋亡信號，逐漸彎曲放下番茄。這個過程本是大自然傳播番茄種子的正常方式，但是這個膨脹結(jié)構(gòu)不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因為它留下殘留的莖，會導(dǎo)致機械收割時，西紅柿被戳壞?；蚓庉嫼蟮姆阎仓昕杀苊饬诉@個負(fù)面問題。

我們還參觀了一些可以食用、酸漿屬的一些品種（地櫻桃的近親），但還沒有大規(guī)模種植。野生型的品種，高大，枝條蓬亂，并且每個植株掛果數(shù)量極少。而經(jīng)過科學(xué)家“馴化”，植株只有野生型一半大小，枝條也沒有野生型那么濃密，但每個枝條上可結(jié)6個漿果。

李普曼摘下一個漿果，遞給了我。我輕輕地咬了一口，一股濃郁的香味立刻在我嘴里散開，混合了甜和酸的味道，這種感覺漸漸消失后，鼻子能夠聞到一股漿果揮發(fā)出的香味，久久不散去。

基因編輯開始應(yīng)用到農(nóng)作物上

一直到20世紀(jì)30年代，農(nóng)業(yè)科學(xué)家對番茄使用的培育技術(shù)基本上與中美洲農(nóng)民完全相同：耐心地等待植株在自然條件下產(chǎn)生有用的突變，仔細(xì)挑選出有用的植株（例如，擁有更大果實的植株），再對這種新品種進(jìn)行擴大繁殖。換句話說，農(nóng)業(yè)發(fā)展一直是通過非自然選擇的方式發(fā)展下去，即人們挑選植物特定突變，同時拋棄其他突變。第二次世界大戰(zhàn)期間，生物學(xué)家使用化學(xué)物質(zhì)、X射線和其他形式的輻射來誘導(dǎo)種子發(fā)生隨機突變加速了這一過程。但是即便如此，這個過程也異常緩慢。通過選擇性培育獲得理想表型植株可能需要10年或者更長的時間。

這一切在2012年發(fā)生了徹底改變。2012年5月，植物遺傳學(xué)家完成了番茄基因測序工作，在12條染色體上一共有9億個堿基對。同年6月，由加州大學(xué)伯克利分校的詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）領(lǐng)導(dǎo)的一個研究團隊發(fā)布了關(guān)于CRISPR基因編輯技術(shù)的第一份報告，隨后麻省理工學(xué)院博德研究所和哈佛大學(xué)也共同發(fā)布了一份類似的報告。隨著這兩項研究成果的發(fā)布，研究人員就想在番茄上試試這一新技術(shù)。

李普曼考慮：“我們可以在番茄中使用這項技術(shù)嗎？如果可以的話，讓我們行動起來吧。”快速行動意味著要在番茄基因中開展實驗，以證明CRISPR可以在番茄中發(fā)揮作用。李普曼和范埃克計劃改造的目標(biāo)基因是什么呢？

當(dāng)時還沒有發(fā)現(xiàn)哪個基因可以影響水果的大小或形狀。如果針對這個進(jìn)行研究需要花費太多的時間，而范?？藳]有足夠的耐心?！拔也幌氚阉旁跍厥抑信嘤?，再等待它長大，”她告訴李普曼，“我希望能夠在培養(yǎng)皿中就能看到一些變化。”因此，他們選擇了一種經(jīng)濟意義不大，且對消費者無吸引力的基因進(jìn)行改造嘗試。這是一個奇怪的基因，當(dāng)它發(fā)生突變時，能夠長出一種變形的針狀番茄葉。突變后的版本被稱為“纖維突變”。

這個被稱為“纖維”的基因突變晦澀難懂，以至于范?？瞬坏貌徊樵?928年的一篇論文，因為這篇論文第一次描述了她在努力尋找的基因突變。每一個由CRISPR技術(shù)編輯的基因突變都需要一個定制的基因編輯工具，這個被稱為“構(gòu)建體”的向?qū)NA，可將CRISPR引導(dǎo)至番茄正確的基因位點，接下來酶會在這個基因位點使用特定工具精準(zhǔn)地切割植物的DNA。范?？嗽谶@個案例中使用了一種擅長感染植物的細(xì)菌，它攜帶有CRISPR突變工具進(jìn)入番茄細(xì)胞。編輯完成后，范?？说膱F隊成員將這些細(xì)胞涂布在培養(yǎng)皿上，讓它們在那里發(fā)育成小植株。在突變后的番茄細(xì)胞形成幼苗和展開葉子之前，范埃克仍然需要等待大約兩個月的時間，但這一切她認(rèn)為值得。當(dāng)看到第一片葉子的時候，范埃克大聲喊道：“我的天哪，這項技術(shù)有效！”甚至忍不住跑到學(xué)院的走廊去告訴那些愿意傾聽的人。

通過這個案例，他們不僅證明了CRISPR技術(shù)能夠在水果作物中產(chǎn)生遺傳性狀的變化，而且僅用了兩個月（而傳統(tǒng)處理要1年）。理論上而言，他們知道可以通過基因編輯技術(shù)既準(zhǔn)確又快速地實現(xiàn)其他農(nóng)作物的改造。

在驗證基因編輯技術(shù)可行后，李普曼和范?？司烷_始使用這項技術(shù)改造那些過去15年內(nèi)他們一直想改造的番茄植株的性狀。

比如，近60年來，研究人員一直在努力解決番茄植株莖上的關(guān)節(jié)問題，但當(dāng)下許多“無關(guān)節(jié)”番茄植株又存在其他問題，即在生長過程中生出過多的分枝且產(chǎn)量較低。李普曼發(fā)現(xiàn)，這主要是因為無關(guān)節(jié)突變基因和另一種古老基因之間存在復(fù)雜的相互作用導(dǎo)致。傳統(tǒng)的育種過程還會產(chǎn)生另外一種副作用，生成果實性狀異常的番茄，這是因為無關(guān)節(jié)性狀的突變過程中伴隨產(chǎn)生了一大堆不必要的DNA突變，這種現(xiàn)象被稱為連鎖累贅現(xiàn)象。

扎克·李普曼在冷泉港番茄種植農(nóng)場中，這株番茄經(jīng)過基因編輯能產(chǎn)出更多的果實

在冷泉港的一塊試驗田中種植8000株基因編輯后的農(nóng)作物

一株經(jīng)過基因編輯的番茄植株

喬伊絲·范?？嗽谝粋€生長在培養(yǎng)皿上的小番茄植株上看到了卷曲的葉子，她知道CRISPR技術(shù)在番茄中獲得成功

如果李普曼能夠使用CRISPR技術(shù)獲得無關(guān)節(jié)突變株，同時這個突變株不攜帶傳統(tǒng)育種產(chǎn)生的無意義突變，這將會為種植者帶來明顯的益處。2016年3月，李普曼在溫室中培育無關(guān)節(jié)突變番茄獲得了成功，并于2017年春季在《細(xì)胞》雜志上發(fā)表了這項工作。李普曼在佛羅里達(dá)大學(xué)與哈利·克利（Harry Klee）分享了這個基因編輯工具。2017年3月，克利和他的研究團隊在一個試驗田中種植了一種經(jīng)過基因編輯的無關(guān)節(jié)突變番茄，這種突變番茄品種被稱為“佛羅里達(dá)8059”。

農(nóng)作物篩選的多種方式

盡管有關(guān)基因編輯革命的炒作此起彼伏，但是在過去幾年中科學(xué)家越來越發(fā)現(xiàn)其局限性。科學(xué)家會告訴你，CRISPR技術(shù)非常擅長“敲除”一個基因，但是正如許多流行的報道所暗示的那樣，用它來插入一個新的基因，重新改寫人類、牲畜或植物的種系卻并非易事。

農(nóng)作物基因編輯的先驅(qū)之一，明尼蘇達(dá)州立大學(xué)的丹·沃伊塔斯（Dan Voytas）評價說：“CRISPR技術(shù)并不是第一項也不會是最后一項基因編輯技術(shù)?！贝送?，即使在植物中，基因組的相互作用也非常復(fù)雜。這些相互作用就像立體聲控制臺上的十幾個旋鈕共同工作進(jìn)而塑造一首歌的整體音效一樣，即多個基因元素可以控制單個基因的表達(dá)效果。

這種令人生畏的復(fù)雜性大大激發(fā)了李普曼的實驗團隊在基因編輯方面進(jìn)一步探索的熱情，他們瞄準(zhǔn)了調(diào)節(jié)DNA表達(dá)的啟動子。

李普曼說道，科學(xué)家通過使用CRISPR技術(shù)調(diào)控控制DNA表達(dá)的啟動子，實現(xiàn)像調(diào)節(jié)燈光開關(guān)那樣調(diào)整DNA的表達(dá)量，從而可以篩選出比自然選擇“更好”的種系。李普曼致力于在不犧牲農(nóng)作物口感或形狀等基本特征的前提下改善農(nóng)作物的其他表征。

“現(xiàn)在我們可以開始考慮種植一些遴選出來的、更好的番茄品種，如果它們在很短時間內(nèi)到達(dá)花期，你就可以在緯度更高的地方來種植這些番茄，這是因為那里的夏季更短。”他說道。正如李普曼所說的那樣，因為每種植物基因都有自己的啟動子，這種遺傳“調(diào)整”方式幾乎適用于任何一種蔬菜作物。

“調(diào)整”基因表達(dá)只是生物學(xué)家們改造番茄的眾多方式之一。2017年，位于英國塞恩斯伯里實驗室的研究人員通過基因編輯技術(shù)改良的番茄品種可以抵御白粉??；日本的一個研究小組通過基因編輯技術(shù)獲得一種沒有種子的西紅柿。

還有研究人員致力于“從頭馴化”研究。他們研究的重點不是去改良馴化后的番茄品種，而是回到原點，在一種野生番茄品種上使用CRISPR技術(shù)敲除一些基因。例如，在野生植物蔓延和雜草叢生的環(huán)境中生長的野外番茄，經(jīng)過基因編輯后，植株長勢緊湊而且濃密；野生型植株的果實只有豌豆大小，基因編輯后的番茄植株所結(jié)果實相當(dāng)豐滿，如櫻桃般大小。經(jīng)過改良的品種與任何其他已知的品種相比，其果實中還含有更多的番茄紅素（這是一種非常重要的抗氧化劑），而且口感很好。

“從頭馴化”的方式之所以如此有趣，在于它利用了野生型植株積累下來的全部“智慧”。經(jīng)過數(shù)萬年的進(jìn)化，野生植物獲得了一系列的抗逆性特征，包括抵御疾病和環(huán)境壓力等。在這些野生品種上，研究人員利用CRISPR技術(shù)或者任何其他類似的技術(shù)實現(xiàn)物種馴化，那么就有可能在未來氣候大幅度波動的情況下，仍然保證糧食生產(chǎn)。

而李普曼和范?？苏谑褂妙愃频姆椒▏L試馴化野生櫻桃，他們期望野生櫻桃最終能和藍(lán)莓、草莓一樣成為家常的漿果作物。

所有這些植物學(xué)研究方法，包括基因敲除、調(diào)整基因啟動子的輸出量、從頭馴化等都非常有創(chuàng)意而且發(fā)展速度極快。但產(chǎn)品最終要投向市場，消費者愿意吃掉這些西紅柿嗎？正如許多環(huán)保組織所質(zhì)疑的那樣，經(jīng)過CRISPR技術(shù)改造的蔬菜和谷物是否只是一種“新型轉(zhuǎn)基因生物”，還是只是農(nóng)作物加速了自我突變而已？李普曼評價說：“這只是新討論的冰山一角。”

“基因編輯后的番茄味道怎么樣？”當(dāng)我問了克利他是否品嘗過自己正在種植的8059西紅柿?xí)r，他笑了一下說自己感覺味道一般：“實際上，佛羅里達(dá)8059這個品種本身味道上并沒有特別之處。而且，番茄的味道只是市場評判的第二位因素。舉個例子，在佛羅里達(dá)州大部分種植的西紅柿最終都賣給了食品服務(wù)行業(yè)，比如麥當(dāng)勞和賽百味，”克利有些無奈地說，“這個行業(yè)并不追求西紅柿的口感?！彼I(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組已經(jīng)確定了大約20幾個與特殊番茄風(fēng)味相關(guān)的遺傳區(qū)域。“我們的確知道如何給你提供一種味道更好的番茄，比如更甜的，”他說道，“但是這些味道更好的番茄并不吸引種植者，因為不具有市場經(jīng)濟吸引力，所以種植者不會接受這些品種?！?/p>

但克利表示：“非?？释麑⒒蚓庉嫾夹g(shù)引入自家的后花園，”他判定，“像我這樣的園丁可能會認(rèn)為基因編輯后的西紅柿并非轉(zhuǎn)基因生物?！彼D(zhuǎn)而問我：“如果我能夠給你一個含有更高番茄紅素，擁有更長保質(zhì)期，并且擁有更加緊湊植株的品種，你會選嗎？”“絕對會！”我告訴他，“而且，我認(rèn)為大多數(shù)人都會種植這個品種！”

當(dāng)我向沃伊塔斯詢問基因編輯后的品種時，他笑了笑，提醒我：“即使你的番茄品種很好吃，但永遠(yuǎn)不會在經(jīng)濟上有利可圖，因而根本無法支付巨額的許可費。”

基因編輯使用存在爭議，產(chǎn)業(yè)格局還未穩(wěn)定

像大多數(shù)科學(xué)家一樣，李普曼認(rèn)為轉(zhuǎn)基因食物使用安全，但是他也微笑著承認(rèn)并非每位科學(xué)家都認(rèn)為這項技術(shù)是安全無害的。人們對基因修飾后的農(nóng)作物有很多誤解。轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物，例如，玉米和大豆已經(jīng)在食品加工業(yè)、動物飼料加工和生物燃料中使用多年，但是長期以來，爭議一直存在。

CRISPR所帶來的變革并非重啟了這場爭辯，而是給這場爭辯帶來了徹底變化。迄今為止基因編輯的大多數(shù)農(nóng)作物都是通過敲除某個基因（即引起基因突變）而不是引入不相關(guān)的物種基因而獲得的。正因為如此，科學(xué)家堅持認(rèn)為這種方式實際上只是模擬了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)育種過程。這種說法雖然并不能夠平息批評者的憤怒，但它顯然已經(jīng)說服了美國聯(lián)邦監(jiān)管機構(gòu)。2017年3月，美國農(nóng)業(yè)部宣布，經(jīng)過基因編輯技術(shù)導(dǎo)致突變的農(nóng)作物與傳統(tǒng)育種產(chǎn)生的農(nóng)作物并無差別，不需要額外的監(jiān)管。 經(jīng)過基因編輯的大豆和馬鈴薯已經(jīng)被大量種植在農(nóng)場中。

大量關(guān)于食物的問題困擾著人類社會，例如，未來如何養(yǎng)活90億人口？如何在氣候變化不確定的環(huán)境下進(jìn)行農(nóng)業(yè)耕種？如何為警惕新技術(shù)的公眾創(chuàng)造更可口、更有營養(yǎng)價值的食物？

植物學(xué)家已經(jīng)在以創(chuàng)造性的方式使用CRISPR和其他相關(guān)技術(shù)重新塑造糧食作物：改造小麥以減少谷蛋白，改造大豆以生產(chǎn)更健康的油，改造玉米以提高產(chǎn)量，改造馬鈴薯以便于更好地儲存。就在科學(xué)家致力于用基因編輯工具研究農(nóng)產(chǎn)品時，恰逢美國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)界格局調(diào)整。目前已經(jīng)整合為三大集團鼎立的局面。這些公司擁有雄厚的資金，未來他們會將這項技術(shù)用在哪個方面？

在20世紀(jì)90年代，孟山都引入市場的第一代轉(zhuǎn)基因作物都是以“轉(zhuǎn)基因”方式實現(xiàn)的，這意味著生物學(xué)家利用基因工程技術(shù)將來自不相關(guān)物種的外源DNA引入到植物體內(nèi)。而基因編輯技術(shù)則更像是傳統(tǒng)的基因誘導(dǎo)突變，例如輻射和化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)突變。CRISPR技術(shù)是針對特定基因進(jìn)行改良而不是創(chuàng)造隨機的突變，這就是為什么植物科學(xué)家迫切渴望使用這項技術(shù)，這也是美國農(nóng)業(yè)部認(rèn)為基因編輯技術(shù)導(dǎo)致的基因敲除與早期的誘導(dǎo)突變類似，因此不需要對這項技術(shù)進(jìn)行特別的監(jiān)管。一些歐洲國家已經(jīng)明令禁止第一代轉(zhuǎn)基因生物，歐盟尚未對基因編輯后的農(nóng)作物做出最終判斷。

李普曼行走在番茄溫室外：“是的，我已經(jīng)吃掉了很多經(jīng)過基因編輯的番茄?！?/p>

在伊薩卡的博伊斯·湯普森研究所中培育的酸漿果植株

雖然多項研究未能夠證明轉(zhuǎn)基因生物會對人類健康構(gòu)成威脅，但是公眾的疑慮依然存在。皮尤研究中心（美國一家獨立性民調(diào)機構(gòu)）在2016年的一項調(diào)查中顯示，39%的美國人認(rèn)為食用轉(zhuǎn)基因食物會造成健康上的損害。李普曼也承認(rèn)，在他的家中，他的妻子最初不喜歡吃基因編輯后的番茄。

當(dāng)然還有其他的原因會導(dǎo)致公眾對轉(zhuǎn)基因食物疑慮重重。孟山都早期使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，并不是為了創(chuàng)造更加健康或更環(huán)保的食品，而是使大豆和玉米對公司專有的除草劑“農(nóng)達(dá)”產(chǎn)生抗性。該公司從自利的角度積極推廣第一代轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品被認(rèn)為是一場公關(guān)災(zāi)難。

大型農(nóng)企目前正在利用基因編輯技術(shù)的優(yōu)勢重新定位自己。最近一系列的合并已經(jīng)在全球農(nóng)業(yè)中形成了三家大型跨國公司：拜爾（2018年完成了對孟山都的收購），陶氏杜邦（杜邦早前與陶氏化學(xué)公司合并），以及先正達(dá)（2017年被中國化工所收購）。未來這些大公司面臨的知識產(chǎn)權(quán)問題可能比植物遺傳學(xué)碰到的問題更加復(fù)雜。

博德研究所和杜邦先鋒公司都持有適用于農(nóng)業(yè)的基本CRISPR專利技術(shù)，兩家實體于2017年秋天展開合作，共同協(xié)商該專利的農(nóng)業(yè)應(yīng)用許可證（三家大型農(nóng)企都已經(jīng)獲得該技術(shù)許可）。據(jù)悉，CRISPR技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)商業(yè)化需要預(yù)付費、每年的銷售特許權(quán)使用費和其他一些條件。

這就是基因編輯技術(shù)與殘酷的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟學(xué)相互抗衡的地方。進(jìn)行學(xué)術(shù)研究的科學(xué)家可以在不支付許可費的情況下開展與CRISPR技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)研究。但就目前而言，“我還無法利用這項技術(shù)開發(fā)產(chǎn)品并銷售這個產(chǎn)品，”李普曼說道，“商業(yè)開發(fā)需要支付許可費，這些費用由資金雄厚的大型農(nóng)業(yè)公司來承擔(dān)方才可行。”

當(dāng)然，其中一些較小的生物技術(shù)公司試圖繞開大型生物公司和知識產(chǎn)權(quán)的障礙繼續(xù)生存下去。Calyxt位于明尼蘇達(dá)州，是一家由沃伊塔斯創(chuàng)辦的公司，目前已經(jīng)獲得了美國農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)使用早期和更加難以使用的基因編輯技術(shù)TALENs來開發(fā)種植農(nóng)作物的許可。

總部位于圣路易斯的Benson Hill Biosystems公司一直致力于使用一套擁有專利的新型基因編輯技術(shù)來提高生產(chǎn)率（該技術(shù)被稱為CRISPR 3.0）。但公司的首席執(zhí)行官馬修·克里斯普（Matthew Crisp，是的，這就是他的名字）聲稱創(chuàng)新正在被一種“模棱兩可”的知識產(chǎn)權(quán)格局所扼殺。他表示，Benson Hill的合作伙伴和潛在的專利持有者抱怨，CRISPR基因編輯技術(shù)的商業(yè)化太昂貴、太麻煩，同時又有太多的不確定性。新的基因編輯酶和其他創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)現(xiàn)可能使得專利領(lǐng)域的事態(tài)變得更加復(fù)雜化。正如一位消息人士所說：“這個領(lǐng)域一團亂麻，新的技術(shù)會使其變得更糟?！?/p>

經(jīng)過基因修飾的大豆、土豆和玉米已經(jīng)悄悄融入了人類的食物鏈，而基因編輯的番茄使?fàn)幷摳蛹ち伊恕哪撤N意義上說，這次技術(shù)上的變革是近一個世紀(jì)以來最新、最成功的一次：既滿足了農(nóng)產(chǎn)品種植者更低成本、更大產(chǎn)量的愿望，同時也滿足了消費者對既美味又營養(yǎng)的需求。但一部分人對于這項技術(shù)冷嘲熱諷，一部分人對于這項技術(shù)抱有希望。

資料來源 Wired

本文作者斯蒂芬·霍爾（Stephen S.Hall）從事科學(xué)報道和寫作已經(jīng)將近30年，作為《紐約時報》編審和特約編輯，多次為該報撰寫封面故事，他的文章還多次出現(xiàn)在《紐約客》《大西洋月報》《國家地理》《科學(xué)美國人》等雜志上。