基因編輯技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

（作者：劉奕，王俏琦，張波，章元兵，張子恒，周爽來(lái)源：《知識(shí)分子》）

俗話(huà)說(shuō)，民以食為天。基因編輯技術(shù)不僅在醫(yī)學(xué)上有很大的用途，在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中也能大顯身手，基因編輯技術(shù)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(guò)西紅柿。有人喜歡切片涼拌，有人喜歡西紅柿炒蛋。但大家有沒(méi)有注意過(guò)，市場(chǎng)上能買(mǎi)到的西紅柿分多個(gè)品種，有的又大又甜，有的又小又酸。既然都是西紅柿，為什么它們有那么大的區(qū)別呢？

這些差異源于西紅柿不同的基因調(diào)控?；蚓拖褚槐窘炭茣?shū)，告訴西紅柿應(yīng)該怎么長(zhǎng)。既然西紅柿不是生來(lái)就注定被人類(lèi)吃掉，它們的基因教科書(shū)自然也不會(huì)教它們?cè)趺锤菀椎乇蝗顺缘簟?/p>

西紅柿的先祖不長(zhǎng)這樣，它們現(xiàn)在的樣子得益于人類(lèi)數(shù)百年來(lái)的培育。人工育種時(shí)常會(huì)遇到一個(gè)這樣的哲學(xué)問(wèn)題：為什么把幾個(gè)好品種一起培育的時(shí)候，反而組合出了一些不好的后代，而好的品種和不好的品種雜交的后代卻更好？造成這個(gè)問(wèn)題的主要原因是，基因在重組時(shí)，往往會(huì)丟失掉一些已經(jīng)“寫(xiě)好的段落”，而換上一些不好的。

所以，科學(xué)家選擇了CRISPR來(lái)解決好片段丟失，而這就帶來(lái)了口味不佳的問(wèn)題，這種技術(shù)就像是基因教科書(shū)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(shū)上的段落寫(xiě)得不好，就可以用修正帶去掉錯(cuò)誤內(nèi)容，甚至在原來(lái)的段落上加上更好的內(nèi)容，從而得到更好的西紅柿品種。

美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室Zachary Lippman教授一直熱衷于西紅柿品種的改良，他將CRISPR當(dāng)作熒光筆使用，去強(qiáng)調(diào)一些基因教科書(shū)上的重點(diǎn)段落。這些段落叫做數(shù)量性狀決定段落（QTL，quantitative traits locations），在這些決定段落前面打個(gè)“五角星”，西紅柿就知道要重點(diǎn)關(guān)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(dá)這些地方，這相當(dāng)于用“修正帶”去刪除基因。給基因劃重點(diǎn)可更靈活地讓西紅柿產(chǎn)量得到提高，避免了之前人工育種遇到段落丟失的問(wèn)題。即使多劃了一處重點(diǎn)，或者劃錯(cuò)了一處重點(diǎn)，其影響也比較小。

CRISPR還能夠通過(guò)控制西紅柿的其他基因，在不影響果實(shí)本身的基礎(chǔ)上，讓西紅柿長(zhǎng)得更好，如修改西紅柿的分枝和開(kāi)花數(shù)量，可把營(yíng)養(yǎng)集中于更少的西紅柿果實(shí)上，讓它們變得更美味；修改西紅柿柄的形狀和枝節(jié)的牢固程度，可讓西紅柿在枝頭上掛得時(shí)間更長(zhǎng)，不容易掉到地上腐爛；修改西紅柿開(kāi)花和結(jié)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(xué)家對(duì)西紅柿的基因理解越來(lái)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(shū)，推出更新版的教科書(shū)。

如何讓水稻主動(dòng)遠(yuǎn)離污染

水稻是中國(guó)人的重要主食，科學(xué)家也在不懈地進(jìn)行水稻品種改良。袁隆平院士致力于通過(guò)水稻雜交技術(shù)得到了超級(jí)水稻，解決了億萬(wàn)人口的吃飯問(wèn)題。現(xiàn)在有了CRISPR技術(shù)，新型水稻品種的研發(fā)也如虎添翼。

水稻的生長(zhǎng)需依賴(lài)土壤和農(nóng)民不斷地灌溉。但由于廢棄電池的胡亂丟棄和一些金屬電鍍工業(yè)廢水的排放，土壤本身和用于灌溉水稻的水，都被“鎘”等重金屬污染。鎘會(huì)在人體內(nèi)緩慢堆積，你吃進(jìn)去多少，就留下來(lái)多少，量一多問(wèn)題就來(lái)了。20世紀(jì)60年代，日本出現(xiàn)過(guò)一種怪病——痛痛病，患病的人渾身關(guān)節(jié)疼痛，難以忍受，最后查明是由于工業(yè)廢水排放的鎘污染造成人體內(nèi)鎘含量超標(biāo)。

水稻中就是有這樣一些基因，在它們的調(diào)控下水稻會(huì)吸收土壤以及灌溉水中的鎘離子與其他的重金屬離子，在水稻被人吃掉后，重金屬離子就會(huì)堆積在體內(nèi)。相對(duì)于玉米和其他糧食作物而言，水稻的產(chǎn)量改良已趨于完善，而除去鎘對(duì)水稻的污染成了棘手的問(wèn)題，超級(jí)稻和雜交稻對(duì)鎘元素的親和能力更強(qiáng)。如何規(guī)避水土污染對(duì)水稻品質(zhì)造成的危害，看上去成了一個(gè)兩難的問(wèn)題。

袁隆平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)用CRISPR技術(shù)來(lái)挑戰(zhàn)這個(gè)問(wèn)題。鎘離子要想進(jìn)入水稻，首先要從土壤進(jìn)入水稻的根部，再通過(guò)內(nèi)部的管道，轉(zhuǎn)運(yùn)到水稻的胚芽中，最后被人吃掉吸收。所以，袁隆平選擇從水稻根部入手，利用CRISPR技術(shù)修改掉根部細(xì)胞中調(diào)控金屬離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、韌皮部鎘轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等，多個(gè)鎘吸收相關(guān)蛋白的基因的表達(dá)量，以達(dá)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(huì)吸收錳原子等水稻生長(zhǎng)必需的離子。所以這個(gè)問(wèn)題不僅是個(gè)定性問(wèn)題，更是個(gè)定量問(wèn)題。結(jié)合原先水稻雜交技術(shù)，袁隆平篩選出了在盡可能不影響產(chǎn)量的情況下，含鎘量更少的新一代抗鎘超級(jí)稻。

除此之外，中科院上海植物逆境生物學(xué)研究中心朱健康研究組也利用CRISPR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水稻的多基因編輯。

為農(nóng)作物的生長(zhǎng)保駕護(hù)航

CRISPR不僅能直接修改基因，來(lái)優(yōu)化農(nóng)作物的果實(shí)，還能通過(guò)其他的方式保護(hù)農(nóng)作物的茁壯成長(zhǎng)。很多昆蟲(chóng)會(huì)將農(nóng)作物作為食物，影響農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)。由于昆蟲(chóng)會(huì)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(chóng)對(duì)周?chē)h(huán)境有很強(qiáng)的抵抗力，法國(guó)的科學(xué)家Emmanuelle Jacquin-Joly將CRISPR技術(shù)用于防止蟲(chóng)害。他們將一種鱗翅目害蟲(chóng)的特定氣味感受分子從基因組中敲除，并發(fā)現(xiàn)70%的后代可以遺傳這種突變。通過(guò)放飛一些“間諜昆蟲(chóng)”來(lái)傳播“聞”不到作物的氣味的基因，讓農(nóng)作物免收摧殘。事實(shí)上，研究者還可直接通過(guò)CRISPR改造出帶有“不孕不育”基因的“間諜昆蟲(chóng)”，直接讓害蟲(chóng)“斷子絕孫”。

傳統(tǒng)防止病蟲(chóng)害的方法是使用殺蟲(chóng)劑和抗生素，但濫用讓植物的病蟲(chóng)害愈演愈烈。單一種作物使用同種抗蟲(chóng)劑或抗生素久了，會(huì)讓病蟲(chóng)害體內(nèi)產(chǎn)生耐受基因，最后導(dǎo)致無(wú)藥可用。同時(shí)種植種子的單一化也容易帶來(lái)植物間的“傳染病”，如《星際穿越》中描述的枯萎病一樣，當(dāng)一種病蟲(chóng)害完全免疫了現(xiàn)有的所有抗生素或殺蟲(chóng)劑，甚至可能毀掉一個(gè)國(guó)家的農(nóng)業(yè)。CRISPR技術(shù)能讓植物本身帶上抗性基因，而不是通過(guò)外用抗生素或殺蟲(chóng)劑達(dá)到效果?？的螤柎髮W(xué)的Adam Bogdanove和其合作者JanLeach在研究如何激發(fā)水稻本身的免疫系統(tǒng)，讓其能抵抗細(xì)菌性條紋和枯萎病在內(nèi)的多種疾??；新澤西州立大學(xué)的研究人員通過(guò)CRISPR研發(fā)出能自身抵抗霜霉病的釀酒葡萄；中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)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(guān)系，如根瘤菌常常和豆類(lèi)植物相互依賴(lài)、共同生存，因?yàn)楦鼍袠O強(qiáng)的固氮作用，能將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為植物生長(zhǎng)所需要的原料。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)端木德強(qiáng)教授課題組通過(guò)CRISPR修改一種豆科植物百脈根的共生固氮作用的相關(guān)基因，以研究其機(jī)理并改進(jìn)這種共生關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)植物成長(zhǎng)的調(diào)控，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

對(duì)植物/作物品種的優(yōu)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(gè)色素催化相關(guān)基因（DFR-B）控制，相當(dāng)于對(duì)應(yīng)基因教科書(shū)中的一行，把它刪掉后，牽?；ɑò昃蛷母哔F的紫色變成了純潔的白色。而通過(guò)進(jìn)一步的基因修飾，可通過(guò)精確控制色素酶表達(dá)量的多少來(lái)決定牽牛花的顏色，或者通過(guò)基因改造來(lái)達(dá)到不同的顏色。而另外一些植物的顏色變化是由于氧化作用，把A顏色分子加上一個(gè)氧原子，就變成了B顏色分子。比如，常見(jiàn)的蘑菇，通過(guò)對(duì)多酚氧化酶（PPO）來(lái)控制顏色的深淺，如果調(diào)控這些酶的表達(dá)，蘑菇就會(huì)顯示一個(gè)深度的顏色，或者保持白色。

今天我們吃到的植物，無(wú)不是人類(lèi)長(zhǎng)期培育得到的。CRISPR技術(shù)的誕生，不僅僅可以加速人類(lèi)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(shū)，也能讓我們?cè)诶斫饣蚬δ艿幕A(chǔ)上，去使用它。

相對(duì)于醫(yī)學(xué)和動(dòng)物而言，植物CRISPR的脫靶問(wèn)題顯得不那么嚴(yán)重。最近，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）發(fā)布了新規(guī)，撤銷(xiāo)了對(duì)CRISPR作物的嚴(yán)格管控，將CRISPR立為支持發(fā)展的項(xiàng)目，鼓勵(lì)CRISPR植物的種植試驗(yàn)。

未來(lái)CRISPR可被用作一種開(kāi)發(fā)更有價(jià)值作物的工具，通過(guò)對(duì)農(nóng)作物基因進(jìn)行直接改造，在安全性受保障的前提下，使得農(nóng)作物質(zhì)量得到更大的提升。這樣的作物在不久的將來(lái)，就能飛入尋常百姓家，來(lái)到我們的餐桌上，而不是僅僅活躍于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。