基因編輯技術(shù)育種產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與機遇

顧鳶

在世界范圍內(nèi)，基因編輯技術(shù)在分子育種領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。通過基因編輯技術(shù)培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)作物和高附加值新品種，有助于提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)競爭力，保障糧食安全。雖然在基因編輯領(lǐng)域，最核心的技術(shù)掌握在歐美國家手里，但我國的發(fā)展也很快，特別是在植物基因編輯技術(shù)方面有很多專利，是我國實現(xiàn)種業(yè)跨越式發(fā)展的機遇。

關(guān)鍵詞：種業(yè)；生物育種；基因編輯技術(shù)；基因編輯作物產(chǎn)業(yè)化

利用基因編輯技術(shù)進行農(nóng)作物育種，已成為國際科學競賽新的熱門領(lǐng)域。2021年的中央一號文件對種業(yè)工作做了全面部署，明確了要尊重科學、嚴格監(jiān)管，有序推進生物育種產(chǎn)業(yè)化應用。

2021年中央一號文件提出，對育種基礎性研究以及重點育種項目給予長期穩(wěn)定支持。加快實施農(nóng)業(yè)生物育種重大科技項目。深入實施農(nóng)作物和畜禽良種聯(lián)合攻關(guān)。實施新一輪畜禽遺傳改良計劃和現(xiàn)代種業(yè)提升工程。尊重科學、嚴格監(jiān)管，有序推進生物育種產(chǎn)業(yè)化應用。加強育種領(lǐng)域知識產(chǎn)權(quán)保護。支持種業(yè)龍頭企業(yè)建立健全商業(yè)化育種體系，加快建設南繁硅谷，加強制種基地和良種繁育體系建設，研究重大品種研發(fā)與推廣后補助政策，促進育繁推一體化發(fā)展。

在世界范圍內(nèi)，基因編輯技術(shù)已經(jīng)在分子育種中發(fā)揮著越來越重要的作用。通過基因編輯技術(shù)培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)作物和高附加值新品種，有助于提升國家的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)競爭力，保障糧食安全。因此，要抓住我國種業(yè)發(fā)展的機遇，加快推進農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，補齊基因編輯技術(shù)育種突出短板，集中力量打好種業(yè)翻身仗，實現(xiàn)我國重要農(nóng)產(chǎn)品種源自主可控。

我國種業(yè)跨越式發(fā)展的機遇

種子是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的基石，種業(yè)是具有國家基礎及戰(zhàn)略意義的產(chǎn)業(yè)。黨的十八大以來，國家高度重視種業(yè)問題，我國種業(yè)科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了明顯的成效。今年2月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部副部長張?zhí)伊衷凇叭嫱七M鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化”發(fā)布會上表示，我國農(nóng)業(yè)用種安全有保障，風險可控。但也要清醒地認識到，與國際先進水平相比較，我國種業(yè)發(fā)展還有不少的不適應性和短板弱項，迫切需要下功夫來解決。

張?zhí)伊直硎荆骸澳壳?，世界種業(yè)正迎來以基因編輯、合成生物學、人工智能等技術(shù)融合發(fā)展為標志的現(xiàn)代生物育種科技革命，需要我們抓住機遇、加快創(chuàng)新，打好種業(yè)翻身仗，從而實現(xiàn)種業(yè)的跨越式發(fā)展?！?/p>

基因編輯又稱為基因組編輯或基因組工程，是一種新興的比較精確地能對生物體基因組特定目標基因進行修飾的一種基因工程技術(shù)。醫(yī)療和農(nóng)業(yè)是基因編輯的兩大重要應用領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)方面，世界各地的研究人員利用植物和動物的基因測序來研究不同物種的基因組，進行農(nóng)作物全品種基因測序推動農(nóng)業(yè)發(fā)展，增加作物產(chǎn)量?；蚓庉嫾夹g(shù)不僅可以突破傳統(tǒng)育種難以解決的遺傳障礙，而且能實現(xiàn)特定性狀的精準改變，顛覆已有動物遺傳改良技術(shù)路徑和選育效率。伴隨著基因編輯技術(shù)的不斷改進及其在動植物上的廣泛應用，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的顛覆性變革在悄然進行。

早在2013年，以CRISPR/Cas9系統(tǒng)為標志的第三代基因編輯技術(shù)就取得了決定性突破，打破了常規(guī)育種瓶頸，成為基因編輯主流技術(shù)。2020年10月7日，瑞典諾貝爾獎委員會宣布，將2020年的諾貝爾化學獎授予法國女科學家?，敿~埃勒？沙爾龐捷和美國女科學家珍妮弗？道德納，以表彰她們研發(fā)了基因編輯技術(shù)CRISPR-Cas9。關(guān)于基因編輯技術(shù)的基本原理，據(jù)中國科學院上海植物逆境生物學研究中心主任、美國科學院院士朱健康介紹，以CRISPR-Cas9技術(shù)舉例，CRISPR像一把“基因剪刀”，而Cas9及其他的Cas酶是能夠剪切DNA的內(nèi)切酶?！斑@把‘剪刀最大的神奇之處在于，你讓它剪什么地方就可以剪什么地方，可以精準定位。當基因被‘剪斷后，細胞會修復斷口并產(chǎn)生變異，讓基因失活，從而不起作用?！敝旖】嫡f，99.9%的基因編輯都是以“做減法”的方式進行，簡單的做減法就培育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病的品種。此外，朱健康還表示，CRISPR-Cas9技術(shù)的專利目前掌握在國外科學家手里，我國的科研人員在使用這一技術(shù)進行基因編輯時確實存在“卡脖子”的風險，但同時也是可以解決的。除了專利屬于國外的CRISPR-Cas9技術(shù)以外，還有Cas12a、Cas12b、Cas12i、Cas12j、Cas14等技術(shù)，這些技術(shù)都可以繞過Cas9?！疤貏e是Cas12i、Cas12j，這兩項中國的技術(shù)很快會有專利授權(quán)，這樣就不需要依靠國外的Cas9專利，為解決生命科學領(lǐng)域的‘卡脖子問題奠定了穩(wěn)固的基礎。”朱健康說。

需要注意的是，基因編輯與轉(zhuǎn)基因技術(shù)都對生物體的基因造成了改變，但二者有明顯的不同。中國科學院院士、中國科學院遺傳與發(fā)育研究所研究員李家洋對基因編輯與轉(zhuǎn)基因技術(shù)的區(qū)別作了界定。據(jù)李家洋介紹，基因編輯把轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)中為大家所擔心的部分，即在基因組中插入外源基因這一環(huán)節(jié)給取消了，而是直接對生物體的基因進行一定的改變。李家洋以修改文章作類比稱，“在修改的時候，如果把一大段話插入文章，就是轉(zhuǎn)基因，而基因編輯相當于只對一個或少數(shù)詞做了修改。”李家洋說，這種修改對文章總體結(jié)構(gòu)沒有大的影響，但文章關(guān)鍵部分的意義卻不一樣了。在生物育種技術(shù)中，誘變育種、雜交育種、分子標記輔助選擇育種以及轉(zhuǎn)基因育種都是2.0或3.0版本的技術(shù)，基因編輯技術(shù)才是當前最高的技術(shù)水平，也是全球育種業(yè)正在競爭的制高點，應該稱為現(xiàn)代育種技術(shù)的“4.0版本”。

中國工程院院士、中國農(nóng)業(yè)科學院副院長萬建民認為，生物育種成為推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展新引擎。生物育種是種業(yè)創(chuàng)新的核心，構(gòu)建現(xiàn)代生物育種創(chuàng)新體系，強化種質(zhì)資源深度挖掘，突破前沿育種關(guān)鍵技術(shù)，培育戰(zhàn)略性新品種，實現(xiàn)種業(yè)科技自強自立，是解決“種源”要害、打贏種業(yè)翻身仗的關(guān)鍵，是牢牢把握住糧食安全主動權(quán)的根本保障。

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部科技教育司二級巡視員張文表示，當前，以全基因組選擇育種、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、基因編輯等為代表的生物育種技術(shù)已成為國際育種的前沿和核心，正在蓬勃迅猛發(fā)展。發(fā)達國家在加強生物育種技術(shù)創(chuàng)新、加大新品種研發(fā)力度上不斷加碼積極布局，搶占國際市場先機，生物育種技術(shù)已經(jīng)成為世界上許多國家搶占科技制高點、增強國際競爭力的戰(zhàn)略重點。

我國基因編輯技術(shù)育種的研究

基因編輯技術(shù)在近幾年來發(fā)展迅速。目前基因編輯技術(shù)中CRISPR/Cas9系統(tǒng)已經(jīng)應用于許多植物上，包括水稻、玉米、大豆等。李家洋表示，中國在植物科學和作物科學的基礎研究方面的實力是非常強的，很多方面跟國際先進水平差距不大，水稻方面更是世界領(lǐng)先。我國基因編輯領(lǐng)域的發(fā)展很快，特別是在植物基因編輯技術(shù)方面有很多專利，這在一定程度上能給予農(nóng)業(yè)生物育種技術(shù)支撐。目前，我國已在水稻、油菜、柑橘等作物的品種研發(fā)中開展了基因編輯技術(shù)研究。

在水稻方面，中科院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所、湖南雜交水稻研究中心，以及華中農(nóng)業(yè)大學等單位合作，成功克隆了一個水稻耐寒基因，研究人員利用對寒冷敏感的秈稻品種“特青”和耐寒的溫帶粳稻品種“02428”所構(gòu)建的重組自交系群體，獲得了一個耐寒基因QTL-HAN1，利用基因編輯手段敲除HAN1基因后成功提高了受體的耐寒性。HAN1基因的克隆、功能和自然變異研究有助于理解粳稻在向北擴展和馴化的過程中對寒冷環(huán)境的適應機制，更為提高水稻的耐寒性提供了有效的途徑。該研究成果于2019年2月11日在PNAS上在線發(fā)表。

福建農(nóng)科院王鋒團隊和廈門大學陳亮團隊利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)成功培育出了富含原花青素和花青素的紅稻，研究人員選取了3個白色籽粒栽培稻作為改良對象，包括粳稻品種秀水134、秈稻恢復系蜀恢143和秈稻光溫敏核不育系智農(nóng)S，利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)將原本移碼突變的rc位點轉(zhuǎn)換成了正常編碼的Rc基因，為培育富含原花青素和花青素的紅稻品種提供了新的方法。該研究成果已于2019年4月在Plant Biotechnology Journal上在線發(fā)表。

2019年11月，2019中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村科技發(fā)展高峰論壇發(fā)布了《2019中國農(nóng)業(yè)科學重大進展》，其中就包括發(fā)現(xiàn)了水稻自私基因。該研究由中國農(nóng)科院作物科學研究所萬建民團隊和南京農(nóng)業(yè)大學等單位主導，通過圖位克隆、分子遺傳學方法和基因編輯技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了控制水稻雜種育性的是自私基因，闡明了秈粳雜交一代不育的本質(zhì)，為創(chuàng)制廣親和水稻新種質(zhì)、有效利用秈粳交雜種優(yōu)勢提供了理論和材料基礎。

在其他作物方面，2020年3月，浙江大學和德國基爾大學育種研究所的科學家團隊在《植物生物技術(shù)》上在線發(fā)表了關(guān)于利用基因編輯技術(shù)敲除SFAR基因以提高油菜種子含油量的研究成果。研究人員在油菜基因組中篩選鑒定到12個降低種子含油量的SFAR同源基因，并利用870份油菜品種的重測序數(shù)據(jù)，對鑒定的12個SFAR同源基因進行了SNP掃描，進而選取了2個BnSFAR1基因和4個BnSFAR4基因，篩選出EMS突變體庫中的相關(guān)材料，同時通過CRISPR/Cas技術(shù)獲取SFAR基因敲除材料。對這些突變體材料后代的表型分析發(fā)現(xiàn)，多基因敲除的種子含油量得到提升，而單基因突變材料的種子含油量差異不明顯。這些結(jié)果也證明了多基因敲除是研究多倍體物種基因功能的有效方法。這項研究為多倍體油料作物中SFAR參與的脂肪酸降解及種子含油量降低提供了一些參考，為高含油量油菜育種開辟了一條新途徑。

2020年5月，中國科學家團隊在《自然？通訊》上在線發(fā)表了一項研究成果，系首次破譯同源四倍體紫花苜?；蚪M并建立基因編輯育種體系。研究人員解析了我國地方特有品種“新疆大葉”紫花苜蓿的四倍體基因組，成功將四倍體基因組組裝到32條染色體上。在此基礎上，進一步開發(fā)出了基于CRISPR/Cas9的高效基因編輯技術(shù)體系，成功培育出一批多葉型紫花苜蓿新材料，其雜交后代表現(xiàn)出穩(wěn)定的多葉型性狀且不含轉(zhuǎn)基因標記。

在其他植物品種方面，華中農(nóng)業(yè)大學鄧秀新和徐強團隊完成了對金柑（Fortunella hindsii）的基因組測序和基因編輯應用，認為金柑可作為柑橘遺傳學和基因功能研究的模式材料，研究人員總結(jié)了近10年來對金柑這一中國特有柑橘種質(zhì)資源的系統(tǒng)性收集、評價和利用，通過連續(xù)自交，獲得了一個373Mb的金柑參考基因組。同時，研究人員首次在金柑上驗證了CRISPR/Cas9基因編輯系統(tǒng)，為柑橘的遺傳改良和育種奠定了堅實的材料基礎。該研究成果已于2019年4月在Plant Biotechnology Journal上在線發(fā)表。

2020年8月，中國和荷蘭科學家團隊在《新植物學家》上在線發(fā)表了一篇關(guān)于合作研究發(fā)現(xiàn)基因編輯技術(shù)可從植物和微生物兩方面進行植物性狀遺傳改良，研究人員通過基因編輯技術(shù)改變植物乙烯合成基因ETO1或微生物基因acdS，實現(xiàn)了相同的植物表型，即乙烯合成量增加和微營養(yǎng)素含量增加。研究結(jié)果表明，相似的植物表型可以由植物相關(guān)微生物的特定突變或植物基因組的改變產(chǎn)生。因此，在應用植物全基因組定向編輯技術(shù)改良植物性狀的應用中，應綜合考慮植物和微生物的特性以及相互作用，來培育更好的作物。

基因編輯作物的產(chǎn)業(yè)化問題

據(jù)美國Kalorama Information公司估計，2025年基因編輯及其相關(guān)供應市場規(guī)模有望突破50億美元。盡管隨著人們逐漸對基因編輯和轉(zhuǎn)基因技術(shù)認知增多，基因工程技術(shù)產(chǎn)業(yè)化也與市場需求結(jié)合緊密，產(chǎn)業(yè)化前景誘人。

近年來，國際種業(yè)巨頭持續(xù)加快在中國本土深耕布局，控制我國種業(yè)市場來勢兇猛。包括全球種業(yè)前十強在內(nèi)的70多家國際種企進入中國，大批“洋種子”滲透到我國田間地頭。根據(jù)《2019年中國種業(yè)發(fā)展報告》，2018年我國進口農(nóng)作物種子7200余萬公斤，進口額4.75億美元，其中蔬菜種子進口額2.28億美元，來自近50個國家和地區(qū)。辣椒、洋蔥、胡蘿卜、茄子、番茄、馬鈴薯、西蘭花這些老百姓餐桌上最常見的蔬菜，不少都是“洋種子”長成的，甚至有的基本上全部依賴進口?！把蠓N子”之所以能夠在我國種業(yè)市場“大行其道”，很大一部分原因在于用其種出來的作物，在產(chǎn)量、抗病性、品相、口感等方面比國產(chǎn)種子更具優(yōu)勢。

轉(zhuǎn)基因商業(yè)化在我國一直是一個輿論熱點，當前公眾對轉(zhuǎn)基因一直懷有安全擔憂。而基因組編輯將以何種方式管理，則直接決定著它如何商業(yè)化。一位研究轉(zhuǎn)基因育種的科學家表示，目前國內(nèi)觀點分為兩派，一派認為基因編輯產(chǎn)品應該等同普通產(chǎn)品來管理；另一派則認為應該與轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品統(tǒng)一管理。

對于輿論擔憂的安全問題，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所植物細胞與染色體工程國家重點實驗室副主任、研究員高彩霞表示，“CRISPR這把化學剪刀用作編輯基因序列的工具是很容易分離出去的，在CRISPR完成剪刀作用后，我們可以不讓它滯留，這樣它就不能整合到我們的目標DNA里面，也就不會留存在作物中了，就好像堿基錯了，我拿橡皮把它擦掉，然后用鉛筆重寫，寫完后橡皮和鉛筆都是不存在基因組里的?！?020年11月，高彩霞在“2020研究前沿發(fā)布暨研討會”上表示，與其他育種方式相比，基因組編輯需要的時間短很多?！芭嘤粋€新品種，雜交育種和誘變育種都需要8—10年，轉(zhuǎn)基因育種需要8—12年，而基因組編輯技術(shù)只需要4—6年?！?/p>

目前，美國對基因編輯的油菜、高油酸大豆、抗氧化蘑菇、糯玉米等作物都下達了轉(zhuǎn)基因監(jiān)管豁免權(quán)，將大多數(shù)基因編輯作物作為常規(guī)植物進行監(jiān)管。日本、芬蘭、瑞典、俄羅斯、巴西、阿根廷等許多國家，也將基因編輯植物產(chǎn)品列為非轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品管理。與之相反，歐洲許多國家則認為基因編輯產(chǎn)品應該視作轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品來監(jiān)管。

我國正在研究如何監(jiān)管基因編輯作物。今年1月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)了關(guān)于《2021年農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物監(jiān)管工作方案》的通知，提出既要加快推進生物育種研發(fā)應用，又要依法依規(guī)嚴格監(jiān)管，嚴肅查處非法制種、知識產(chǎn)權(quán)侵權(quán)等違法違規(guī)行為，保障農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因研發(fā)應用健康有序發(fā)展。明確指出對農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因研發(fā)單位全覆蓋檢查，嚴查中間試驗是否依法報告，環(huán)境釋放和生產(chǎn)性試驗是否依法報批，基因編輯等新育種技術(shù)研究、中外合作研究試驗是否依法開展。對農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因試驗全程監(jiān)管，試驗前核查控制條件是否合規(guī)，試驗中檢查控制措施是否落實到位，以及試驗材料可追溯管理情況，試驗后檢查收獲物、殘余物等管理情況。

全國政協(xié)委員、中國科學院院士曹曉風表示，盡管國家在這一領(lǐng)域投入了大量資金，國內(nèi)科研人員的成果也位居世界前列，我國的基因編輯作物的商業(yè)化依然為“零”。曹曉風表示，在中國科學院先導計劃和國家轉(zhuǎn)基因重大專項支持下，我國的農(nóng)作物基因編輯研究成果處于國際第一方陣，還培養(yǎng)了大量的優(yōu)秀科技人才。接下來要考慮的，就是如何把這些基礎研究成果真正應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

對此，曹曉風提出，進一步加大種業(yè)相關(guān)的基礎研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新投入，加強基因編輯的相關(guān)基礎理論研究，加強生物育種技術(shù)探索，掌握基因編輯關(guān)鍵技術(shù)和重要性狀基因的知識產(chǎn)權(quán)。與此同時，加快建立監(jiān)管基因編輯產(chǎn)品的政策及法規(guī)，對基因編輯改良獲得的“新”品種實行登記制度，對可能帶來的風險進行重點評估，簡化審批流程，推進產(chǎn)業(yè)化進程。此外還有很重要的一點，就是建立基因編輯技術(shù)產(chǎn)品的種業(yè)標識制度，規(guī)范種業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)讓市場和知識產(chǎn)權(quán)保護機制。

曹曉風連續(xù)幾年在全國“兩會”上提出，加速基因編輯技術(shù)花卉、牧草和果蔬等重要經(jīng)濟作物上的應用研究和產(chǎn)業(yè)化，對基因編輯技術(shù)得到的作物新品種，應當有別于轉(zhuǎn)基因作物的管理標準。曹曉風建議，除了水稻和小麥等一部分重要農(nóng)作物繼續(xù)按當前政策管理外，可以適當放開對基因編輯育種新品種的登記制度，加快這些新品種的審（認）定程序并許可規(guī)?；茝V應用。

“我國應該抓住這次生物技術(shù)革命的契機，掌握更多分子育種核心技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)，讓生物技術(shù)更好地服務于農(nóng)業(yè)、農(nóng)民和消費者，使其在推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化中發(fā)揮更大的作用?！辈軙燥L說。