農(nóng)業(yè)育種基因編輯競爭白熱化

7月14日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部基因編輯創(chuàng)新利用重點實驗室（海南）在三亞崖州灣科技城揭牌成立。該實驗室將聚集中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院基因編輯優(yōu)勢科研力量，助力我國在農(nóng)業(yè)基因組編輯核心技術(shù)研究領(lǐng)域搶占國際制高點，全面提升我國生物種業(yè)原始創(chuàng)新能力和國際競爭力，為保障國家種業(yè)和糧食安全提供堅實保障。

據(jù)介紹，基因編輯技術(shù)是具有顛覆性、引領(lǐng)性的生物育種前沿技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，已成為國際生物種業(yè)競爭的焦點。截至目前，美國、日本等國家已累計批準150多種基因編輯農(nóng)產(chǎn)品進入商業(yè)化生產(chǎn)。我國在農(nóng)作物及農(nóng)業(yè)動物等基因編輯技術(shù)體系研發(fā)和應(yīng)用等方面取得一系列重要研究進展，處于國際領(lǐng)跑或并跑地位，為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域基因編輯工具研發(fā)和應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。但是，我國農(nóng)業(yè)基因編輯領(lǐng)域在原創(chuàng)性研究方面仍有差距，尚未完全突破基因編輯工具的原始核心專利。

為推進基因編輯工具和技術(shù)原始創(chuàng)新及其在重要農(nóng)作物、農(nóng)業(yè)動物等農(nóng)業(yè)生物中的開發(fā)利用，突破“卡脖子”技術(shù)，并進一步支持南繁硅谷建設(shè)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部批準中國農(nóng)科院南繁育種研究中心建設(shè)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部基因編輯創(chuàng)新利用重點實驗室（海南）。

今年2月22日，2022年中央一號文件發(fā)布。文件中提出，要大力推進種源等農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。如何打好種業(yè)翻身仗，培育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病的農(nóng)作物品種，是擺在科研人員面前的一道道課題。

日前，《自然》雜志在線版報道了中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞課題組和微生物研究所邱金龍課題組的研究成果，他們通過基因編輯技術(shù)，研發(fā)出一種新的小麥突變體Tamlo-R32，該突變體對白粉病具有強大的抗病能力，且沒有任何產(chǎn)量缺陷。這一成果標志著利用感病基因培育抗病植物的方式取得了重要的理論和技術(shù)突破，也意味著號稱小麥三大病害之一的白粉病終于被我國科學(xué)家“拿下”。

科學(xué)家為什么要進行基因編輯，神奇的基因“剪刀”如何實現(xiàn)物種改良，基因編輯產(chǎn)品已經(jīng)上市了嗎？

神奇“剪刀”實現(xiàn)物種改良

“基因編輯技術(shù)來源于國外，如今，中國科學(xué)家正在把基因編輯技術(shù)發(fā)揚光大，甚至已實現(xiàn)彎道超車?！苯K省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種質(zhì)資源與生物技術(shù)研究所所長趙涵告訴記者。

為什么要進行基因編輯？趙涵解釋，在過去，人們?yōu)榱颂岣吣骋晦r(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，往往會對這一物種進行長期馴化，將一些優(yōu)質(zhì)基因聚合在一起進行優(yōu)中選優(yōu)，經(jīng)過漫長的育種階段后形成優(yōu)質(zhì)品種?！斑@樣的雜交選擇過程十分漫長，動輒10年以上，以玉米為例，玉米一年成熟一次，如此一來，10年才能做10次雜交?！壁w涵說，隨著對基因研究的深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了快速干預(yù)基因的方法。如今，通過基因編輯手段，可以迅速改變農(nóng)作物基因。

基因編輯像一把基因“剪刀”，可以精準定位作物的特定基因。當基因被“剪斷”后，細胞會修復(fù)斷口并產(chǎn)生變異，讓基因失活，從而不起作用。目前全球范圍內(nèi)應(yīng)用的基因編輯主要是“做減法”，也就是讓自身的一些不利基因失活，培育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病的品種。

“此次中國科研團隊研發(fā)出的小麥突變體Tamlo-R32，就是使用基因‘剪刀將小麥白粉病基因敲除掉的同時，還補上了性狀良好的基因?！壁w涵告訴記者，這一動作看上去簡單，實際上比較復(fù)雜?；蛴兄氨F”的特征，往往“牽一發(fā)而動全身”。在以往的實驗過程中，很多科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，雖然敲除小麥白粉病基因能夠抗病，但是卻伴隨著小麥的農(nóng)藝性狀變差，如植株變矮、產(chǎn)量變低等情況。“而中國科學(xué)家此次的突破在于，在敲除白粉病基因的同時，還加了一個‘補丁，保證了小麥良好性狀恢復(fù)，是巨大的技術(shù)突破?！碑斎唬@次突破不僅僅局限于小麥。趙涵以常年研究玉米育種為例，基因編輯控制同樣可用于玉米基因的敲除。

需要注意的是，基因編輯并不是萬能的，需要具備一定的前提條件。趙涵介紹，對基因編輯前，首先要了解某一基因的功能是什么。“坐落于江蘇省農(nóng)科院的江蘇省中期種質(zhì)資源庫中，就有很多各式各樣的種子。我們會通過對這些種子的優(yōu)良基因進行挖掘、定位、評價，進行統(tǒng)計基因分類，尋求優(yōu)秀基因，為基因編輯提供樣板。”趙涵坦言，當前，科研人員大量工作仍在基因挖掘階段，這也是基因編輯工作最大的難點之一。

那么，轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品和基因編輯農(nóng)產(chǎn)品是一回事嗎？趙涵表示：“轉(zhuǎn)基因是一種外源性改造方法，也就是‘做加法，是將外部基因轉(zhuǎn)移進目標農(nóng)作物內(nèi)進行改造。基因編輯則是內(nèi)源性改造，指使用工具剔除某個基因。這是兩個完全不同的概念?！?h3>進入精準編輯時代

“基因編輯技術(shù)具有設(shè)計簡便、效率高、成本低等特點，在動植物遺傳改良等領(lǐng)域得到迅速應(yīng)用。經(jīng)過多年的技術(shù)演進，基因編輯技術(shù)已進入精準編輯時代。”南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師李超表示。當前，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)已經(jīng)利用基因編輯技術(shù)對水稻、大豆、小麥、番茄、草莓、菊花等作物進行了遺傳改良。

如何通過基因編輯進行品種改良？李超以最新的CRISPR技術(shù)編輯水稻為例。在進行基因編輯時，科研人員首先會選取需要編輯的一段基因，即“靶基因”，之后利用農(nóng)桿菌或基因槍，將基因編輯組分Cas9和sgRNA（注：含有一小段靶基因的序列）遞送到水稻愈傷組織（注：來源于水稻成熟或未成熟的種子）體內(nèi)，Cas9在sgRNA引導(dǎo)下就會對靶基因進行定點修飾，使靶基因的功能發(fā)生改變。經(jīng)過組織培養(yǎng)，愈傷組織會再生出被編輯過的水稻幼苗（周期約為3個月）。這時，當代水稻植株就可以觀察到因為靶基因功能改變而獲得的新性狀，即實現(xiàn)品種改良。

基因編輯技術(shù)具有設(shè)計簡便、效率高、成本低等特點，在動植物遺傳改良等領(lǐng)域得到迅速應(yīng)用。經(jīng)過多年的技術(shù)演進，基因編輯技術(shù)已進入精準編輯時代。

同樣，對玉米胚芽的基因編輯有相似的過程。趙涵介紹，在進行基因編輯時，首先需要將成熟玉米籽粒內(nèi)的胚芽挑出來，放在培養(yǎng)基內(nèi)形成一團愈傷組織，在這團愈傷組織內(nèi)會產(chǎn)生細胞的分化。接下來，將攜帶基因編輯工具的農(nóng)桿菌侵染玉米胚芽的愈傷組織，隨后，將愈傷組織埋進土壤中，等待其生根發(fā)芽變成一棵小苗，再通過篩選確定基因編輯工具已存在于這棵小苗內(nèi)，最后將植株種到大田中生長。

在進行對動物的基因編輯時，科研人員會使用顯微注射技術(shù)直接將基因編輯工具導(dǎo)入動物細胞，看上去簡單快捷。那么，植物為何不使用這種手段？趙涵解釋，植物有細胞壁，而動物沒有細胞壁，動物的卵細胞比植物細胞大得多，所以對植物細胞進行基因編輯時一般使用的是細菌侵染手段。在對玉米進行基因編輯時，農(nóng)桿菌就稱得上是基因編輯工具“搬運工”。

李超告訴記者，基因編輯的難點在于DNA大片段的精準替換、插入或刪除，也是我們獲得高產(chǎn)、抗病蟲、優(yōu)質(zhì)、高肥效的新品種最迫切需要的基因編輯技術(shù)。此外，由于遺傳轉(zhuǎn)化效率的限制，能被基因編輯的作物品種只占少數(shù)。因此，破解不依賴遺傳轉(zhuǎn)化的基因編輯技術(shù)，對基因編輯育種的廣適性、簡便性、高效性等都非常重要。與此同時，基因組中仍存在大量難以被現(xiàn)有基因編輯工具精準靶向的區(qū)域，拓展現(xiàn)有基因編輯工具可選擇的靶點范圍，將有望突破這一技術(shù)上的局限，進一步釋放基因編輯工具的應(yīng)用潛力。

國家級指南出臺

全球范圍內(nèi)，基因編輯已經(jīng)在水稻、玉米、大豆、小麥和番茄等農(nóng)作物以及豬、牛、羊等農(nóng)業(yè)動物中廣泛應(yīng)用，糯玉米、高油酸大豆、抗褐變馬鈴薯、高GABA番茄、抵抗褐變的蘑菇等基因編輯產(chǎn)品陸續(xù)在美國、日本等國家上市推廣。此前，由于我國尚沒有明確的監(jiān)管政策出臺，并沒有基因編輯產(chǎn)品走向市場。

基因編輯技術(shù)的發(fā)展，是打好種業(yè)翻身仗、帶動種業(yè)發(fā)展的新引擎，也是提升種業(yè)競爭力的利器。利好的是，今年1月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布了《農(nóng)業(yè)用基因編輯植物安全評價指南（試行）》（以下簡稱《指南》）。對此，趙涵表示，《指南》的出臺，進一步規(guī)范了植物基因編輯的安全評價管理，基因編輯產(chǎn)品制作流程將會更加規(guī)范，更加符合安全標準。“在此之前，社會上有部分植物基因編輯工作處于‘真空地帶，產(chǎn)品能否流入市場并沒有明確說法，現(xiàn)如今，有了條例和規(guī)范，生物安全性可以得到有效保證，農(nóng)業(yè)科研工作者也可以放心大膽地做研究。”

在李超看來，《指南》的出臺，無疑讓基因編輯產(chǎn)品走向商業(yè)化邁出了一大步，為我省基因編輯作物新品種安全評價指明了方向，給后續(xù)新品種的產(chǎn)業(yè)化開了一個好頭，使基因編輯真正走向了實際應(yīng)用領(lǐng)域。“我們應(yīng)該利用政策優(yōu)勢，加大基因編輯新技術(shù)研發(fā)的投入，加快基因編輯新品種的培育，加大知識產(chǎn)權(quán)和作物新品種權(quán)的保護力度，讓農(nóng)民增收、作物增產(chǎn)、糧食安全‘壓艙石更穩(wěn)固。”

在保護基因編輯農(nóng)作物知識產(chǎn)權(quán)方面，李超建議，基因編輯農(nóng)作物知識產(chǎn)權(quán)應(yīng)注重保護原始品種產(chǎn)權(quán)、基因產(chǎn)權(quán)、技術(shù)產(chǎn)權(quán)和基因編輯新品種權(quán)等多個方面，尤其是推廣實質(zhì)性派生品種時，要獲得原始品種所有人的授權(quán)，如此一來，將形成有利于原始創(chuàng)新的氛圍。此外，也要避免過于嚴苛的限制阻礙技術(shù)的前進腳步。

“基因編輯作物的商業(yè)化有無限的想象空間和價值，我們應(yīng)該繼續(xù)加大基因編輯技術(shù)研發(fā)的投入，對優(yōu)秀的中青年科學(xué)家進行長期穩(wěn)定的經(jīng)費支持，同時也要允許失敗，鼓勵科研人員進行‘高風(fēng)險、高收益的原創(chuàng)探索，擺脫基因編輯技術(shù)‘卡脖子現(xiàn)象?！?/p>

◎ 來源|綜合新華日報、新華網(wǎng)