今年獲諾獎(jiǎng)的基因剪刀將“剪”出香味四溢大米

文/張?zhí)锟?中國(guó)大百科全書(shū)出版社

2020年10月7日，瑞典諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)宣布，將2020年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)加利福尼亞大學(xué)教授詹妮弗?杜德納（Jennifer Doudna）和現(xiàn)在德國(guó)馬克斯?普朗克感染生物學(xué)研究所工作的法國(guó)教授艾曼紐爾?卡彭特（Emmanuelle Charpentier），以表彰她們發(fā)明了基因修飾方法CRISPR-Cas9。

CRISPR-Cas9因何獲諾獎(jiǎng)

基因修飾方法，被人們通俗地稱為基因剪刀。

比較而言，CRISPR-Cas9是一種迄今比較精確而且切割速度較快的基因剪刀。利用這把剪刀，人們可對(duì)動(dòng)物、植物和微生物的DNA進(jìn)行有目的的編輯加工（剪切、刪除、位移和增加等），從而治療疾病尤其是遺傳??；人們還可獲得想要的作物和生物產(chǎn)品。

CRISPR的全稱為“規(guī)律成簇間隔短回文重復(fù)（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）”。而Cas是Caspase的簡(jiǎn)稱，其全稱是“含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶”，是一組蛋白酶，Cas9是其中之一。此外，與CRISPR一起發(fā)揮功能的還有其他酶，如核酸酶蛋白Cpf1。由此CRISPR也可稱為CRISPR/Cas系統(tǒng)，包括CRISPR/Cas9、CRISPR/Cpf1、CRISPR/C2c1和CRISPR/C2c2等，它們都是基因剪刀，但應(yīng)用最多的是CRISPR/Cas9。

基因剪刀為何瞄向香米

以CRISPR-Cas9為代表的基因剪刀，在農(nóng)業(yè)上能夠創(chuàng)造更多滿足人類生存和消費(fèi)需求的新產(chǎn)品，其中就有多種多樣的水稻產(chǎn)品。現(xiàn)在，全球水稻種植面積已達(dá)23.97億畝，有113個(gè)國(guó)家種植，是全球一半以上人口（38億人）賴以生存的基本食糧，也是大多數(shù)中國(guó)人的基本食糧。而且，全球水稻90%生產(chǎn)于亞洲。

以袁隆平為代表的科學(xué)家創(chuàng)造的高產(chǎn)型水稻已基本能滿足人們對(duì)稻米的飲食需求，由此也產(chǎn)生了吃上營(yíng)養(yǎng)更高、味道更好的高質(zhì)量稻米的消費(fèi)需求。其中，香稻就是最能吸引消費(fèi)者的一種水稻品種。

作為水稻家族中的特殊成員，香稻栽培歷史相當(dāng)悠久，世界上各水稻生產(chǎn)國(guó)或地區(qū)幾乎都有獨(dú)特的香稻品種。國(guó)際市場(chǎng)上著名的香米品種主要有泰國(guó)香米（Khao Dawk Mali 105）、巴基斯坦香米（Basmati）、印度香米（Jccrakasala）、印尼香米（Scratns Malam）、菲律賓香米（Milagrosa）、美國(guó)香米（Della）等。

中國(guó)同樣有香米，而且有很豐富的香稻資源，諸如湖南的江永香米、山東的曲阜香稻、陜西的洋縣香米、廣西的靖西香糯、廣東的增城絲苗香米、浙江的龍泉香稻和福建的過(guò)山香米等。然而世界各地的香米都表現(xiàn)出一種特點(diǎn)，即只在一個(gè)特定地區(qū)產(chǎn)出，其生態(tài)適應(yīng)范圍窄、地域性很強(qiáng)，因而難以滿足更多人的消費(fèi)需求。

巴基斯坦香稻Basmati370引種到菲律賓種植后，香味會(huì)明顯減少。中國(guó)湖南的江永香米產(chǎn)地只局限于江永縣源口鄉(xiāng)特定的幾十畝稻田，如果移栽到其他地方，不但產(chǎn)量低，香味也會(huì)消失。此外，山東曲阜香稻僅適合在城關(guān)、息陬一帶種植，移植到其他地方也會(huì)失去香味。

研究人員認(rèn)為，這與香稻的遺傳基因和生境相關(guān)，后者主要指栽培過(guò)程中土壤、氣候等生態(tài)條件，因此香稻是香味基因和環(huán)境相互作用的結(jié)果。為了提高香米產(chǎn)量，需要在水稻遺傳基因和生境方面創(chuàng)造條件。現(xiàn)在，以CRISPR/Cas9為主的基因剪刀不僅可在遺傳基因上增強(qiáng)香味基因，還可對(duì)普通水稻增添香味基因，從而可能生產(chǎn)出更多香稻，讓人們吃上香噴噴的大米。

早有研究發(fā)現(xiàn)，2-乙酰-1-吡咯啉（2-Acetyl-1-Pyrroline，2-AP）是香稻香味特征化合物和主要香氣的貢獻(xiàn)物，它的含量不同決定了稻米的香味有所不同，因?yàn)?-AP的含量在不同香米品種間存在差異，當(dāng)然更是多于普通稻米中的含量。進(jìn)一步的研究還證實(shí)，巴斯馬蒂香型、茉莉香型等不同香味類型香稻中香氣的主要成分均為2-AP。因此，針對(duì)2-AP的基因改造就成為研究重點(diǎn)，而這就需要基因剪刀CRISPR/Cas9來(lái)幫助。

同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)，2-AP受到其他作物基因抑制，其中主要的就是BADH2，它是編碼甜菜堿醛脫氫酶的基因，但是會(huì)抑制水稻的香味基因2-AP。研究人員發(fā)現(xiàn)，完整的全長(zhǎng)BADH2蛋白（503個(gè)殘基），僅出現(xiàn)在無(wú)香味的轉(zhuǎn)基因品系和水稻品種中。而且，在香米品種中轉(zhuǎn)入BADH2基因，香米稻中的2-AP含量會(huì)顯著降低，香氣損失，這證明BADH2是控制米香的主效基因。

由此證明，BADH2編碼的全長(zhǎng)BADH2蛋白可抑制2-AP的生物合成，從而使水稻變得沒(méi)有香味。后來(lái)的研究還發(fā)現(xiàn)，系由BADH2基因中8bp堿基缺失而使其原有功能喪失，導(dǎo)致2-AP在水稻中大量積累從而產(chǎn)生香味，這或許就是香稻和普通水稻在遺傳基因和基因表達(dá)上的重要原因。

CRISPR/Cas9怎樣“剪”出香米

過(guò)去香米品種的培育，是利用雜交方式將香米基因轉(zhuǎn)入普通稻米中，盡管可通過(guò)分子標(biāo)記進(jìn)行輔助選擇，但這個(gè)過(guò)程比較復(fù)雜，且周期較長(zhǎng)。后來(lái)，比較有效的方式是利用基因剪刀切割或敲除BADH2基因，使其不再抑制香米的香味基因2-AP，讓香米產(chǎn)生更多的香味，而且把香味基因2-AP轉(zhuǎn)入普通水稻中，也可讓普通稻米產(chǎn)生香味，成為香米。

既往研究人員已在利用另一種基因剪刀，轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶（TALEN），敲除水稻BADH2，以使水稻獲得香味。但是，這種基因剪刀需要依賴于上下游序列，脫靶率高，且具有細(xì)胞毒性，因而改造香米和創(chuàng)造香米的效果并不是很好。

現(xiàn)在，研究人員采用更高效和更準(zhǔn)確的CRISPR/Cas9基因剪刀，能在水稻活細(xì)胞中更有效、更便捷地“編輯”香米基因以及其他基因。利用CRISPR/Cas9，對(duì)蠟質(zhì)基因（Wx）、BADH2兩個(gè)基因進(jìn)行切割或?qū)е缕渫蛔儯ㄇ贸鼴ADH2中的8bp堿基），可解除其對(duì)香味基因2-AP的抑制，從而增加2-AP的積累和含量，同時(shí)產(chǎn)生較低直鏈淀粉含量（13%～18%）的營(yíng)養(yǎng)性較高的大米。

直鏈淀粉（Amylose, AM）和支鏈淀粉（Amylpectin, AP），是稻米淀粉的兩種類型，二者組成比例決定了稻米的食用品質(zhì)和加工品質(zhì)?，F(xiàn)在，也有研究人員采用CRISPR/Cas9基因剪刀敲除水稻蠟質(zhì)基因Wx，成功地將突變體水稻的直鏈含量由14.6%降至2.6%，獲得糯性稻米，成為更有營(yíng)養(yǎng)的稻米。

盡管現(xiàn)在的研究還只是處于育種和產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)新種階段，但是可以解決香稻和高質(zhì)量水稻基因的問(wèn)題，而剩下的另一個(gè)大問(wèn)題當(dāng)然是要研究香稻生產(chǎn)的生境。國(guó)外研究表明，香稻品種之一的Khao Dawk Mali 105中2-AP的含量受干旱氣候的影響。國(guó)內(nèi)研究表明，香稻產(chǎn)地土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷含量以及鐵、錳、銅、鋅等微量元素含量均高于非產(chǎn)地。對(duì)中國(guó)的中香1號(hào)和田東香稻種的研究發(fā)現(xiàn)，在川陜盆地單季稻兩熟亞區(qū)種植后，其籽粒糙米中的2-AP含量最高，原因可能是各個(gè)稻區(qū)間海拔高度存在差異。還有研究認(rèn)為，鋅是水稻香味產(chǎn)生的必需元素之一。

由此，只有從基因和生境兩個(gè)方面著手，才有可能創(chuàng)造出更多更好的香米，以滿足人們需求，而以CRISPR/Cas9為代表的基因剪刀的出現(xiàn)，為研究人員研發(fā)出更多的香米提供了條件。

稻米中的營(yíng)養(yǎng)蛋白可分為谷蛋白、醇溶蛋白、球蛋白和白蛋白等，極大多數(shù)稻米蛋白的合成受到多基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的控制，現(xiàn)在對(duì)稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)尤其是蛋白營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)合成等方面的遺傳機(jī)制及合成調(diào)控機(jī)理的研究還很少，如果進(jìn)一步的研究能確定哪些基因有利于增加稻米的蛋白質(zhì)含量，哪些基因能抑制稻米的蛋白質(zhì)產(chǎn)量，就能轉(zhuǎn)入高蛋白產(chǎn)量的基因和敲除抑制蛋白產(chǎn)量的基因，讓人們不僅能吃到香噴噴的大米，還能吃到蛋白質(zhì)含量高的高營(yíng)養(yǎng)大米。

CRISPR/Cas9基因剪刀還可以培育高產(chǎn)水稻，讓水稻增產(chǎn)。粒重是水稻產(chǎn)量構(gòu)成的重要性狀，與有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)共同構(gòu)成水稻產(chǎn)量三要素，這些要素系由多基因控制，體現(xiàn)為基因的數(shù)量性狀位點(diǎn)。現(xiàn)在，研究人員用CRISPR/Cas9基因剪刀敲除3個(gè)水稻品種中粒長(zhǎng)基因GS3、GS2和每穗粒數(shù)基因Gn1a，發(fā)現(xiàn)三基因突變有疊加增產(chǎn)效應(yīng)。還有研究人員采用CRISPR/Cas9基因剪刀敲除水稻千粒重基因、粒重基因GW2、GW5和千粒重多基因TGW6后，得到gw2gw5tgw6 和gw2gw5 純合突變體，發(fā)現(xiàn)突變體粒長(zhǎng)、粒寬和粒重都顯著增加，從而有效增加了產(chǎn)量。

顯然，基因剪刀不只是對(duì)創(chuàng)造高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)水稻大有作為，對(duì)于創(chuàng)造其他優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品，譬如玉米、小麥等，也有巨大的技術(shù)推動(dòng)作用。