當 “基因剪刀” 遇上農業生產

來源: 科學網 / 作者: 任芳言 / 時間: 2019-04-18
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自 CRISPR/Cas9“基因剪刀” 誕生后,生命科學領域各類研究成果相繼涌現。這一發現于細菌天然免疫系統內的工具可對真核細胞 DNA 進行迅速高效的切割。經過多種改造和延伸,CRISPR/Cas9 強悍的應用潛力引起諸多研究者的興趣,其應用范圍至今仍在不斷拓展。

除了治愈遺傳疾病、制造更強大的干細胞,基因編輯還可能為農業帶來新的翻盤機會。比如讓牛遠離結核病、讓水稻更耐寒、讓大豆或玉米更高產。

目前,美國農業部已經明確基因編輯作物無需受到與轉基因作物規格相同的監管,但歐盟最高法院卻規定,基因編輯作物應與轉基因生物遵守同樣嚴格的法規。

無論是畜牧業還是種植業,都需要培育出更強壯、更高產的作物以提高經濟效益。不管怎樣,日漸增多的研究成果使人們對基因編輯的認識愈發深刻。

動物研究規模化道阻且長

對欠發達國家和地區而言,在基因編輯技術出現之前,養殖牲畜的小農場主往往要靠天吃飯。以乳制品產量為例,在非洲撒哈拉沙漠以南地區,即便是最好的情況,當地奶牛的生產力也遠不及溫帶氣候下的奶牛。

落后的養殖技術和方法也導致產量低下。此外,因為沒有規模化養殖,小農場主承擔風險的能力極弱,一場病害就可能導致貧困。

有研究者正利用基因編輯手段,通過長期、規模化的培育項目,幫助欠發達地區的農牧民培育出更強壯、更高產的動物。

Appolinaire Djikeng 是熱帶牲畜遺傳學健康研究中心的負責人,他與同事追蹤選定范圍內的遺傳信號,比如影響牲畜迅速生長或抵抗病害的基因。

不過,Djikeng 本人曾在接受媒體采訪時表示,目前的操作較多針對的是易識別的單個遺傳信號,“如果我們識別出單一基因或變體與某個重要的遺傳信號有關,那么就可以進行基因編輯”。這一研究項目得到了蓋茨基金會的支持,但也遭到一些動物福利團體的反對。

一個所有研究者都無法忽略的問題是:對動物而言,許多性狀并不只是由單一基因決定,而是由多個基因共同調控的結果。西北農林科技大學動物科技學院副教授徐坤對《中國科學報》表示,這會導致通過基因編輯育種獲得優良動物新品種的難度大大提高。

“另外,基因編輯育種需要形成一定規模且繁殖多代以觀成效,這需要大量資金支持。” 徐坤指出,受限于評價標準和監管體制尚不完善、資金來源、社會認可等問題,目前針對牲畜的基因編輯育種研究大部分仍停留在實驗室或處于封閉式小規模繁殖階段,“因此針對牲畜的基因編輯育種研究,其規模化、市場化還有一段路要走”。

農作物成果頻現但不明朗

與針對人類的臨床研究和針對動物的遺傳改造相比,植物的基因編輯較少受到倫理影響。但不少植物有堅韌的細胞壁,尤其是小麥、玉米等重要經濟作物,用 CRISPR 對其進行改良也很困難。

可這無法阻擋研究者的腳步,“如何利用基因編輯技術,將影響農藝性狀的關鍵控制基因用于育種改良和實際生產,是近年來的研究熱點之一。” 中國農業科學院植物保護研究所研究員周煥斌告訴《中國科學報》。

周煥斌指出,大部分優良性狀的獲得是源于基因序列發生變異。理論上可通過 CRISPR/Cas9 技術以及基因組 DNA 的同源重組改變基因的序列,不過由于基礎理論研究有限,相關應用的實際效果不盡人意。

解決方案之一是有針對性的改造,比如瞄準基因內部的關鍵核苷酸。借助 CRISPR/Cas9 技術,周煥斌與合作者開發出一系列單堿基編輯器,實現了水稻基因組中靶核苷酸 4 種堿基的編輯替換。這一研究可有效矯正水稻品種的缺陷性基因,并加快水稻育種進程。

的確,縮短育種進程、提高效率是基因編輯技術的強項。今年 3 月,來自農業科技企業先正達的科學家在《自然—生物學》上發表了一項研究。研究人員將單倍體誘導育種與基因編輯相結合,實現了對某些玉米品種的直接改良,進一步縮短育種周期。

據介紹,由于研究并未將 CRISPR 基因直接引入最終作物的 DNA 中,依照美國現行法規,該方法不屬于轉基因范疇,或許未來更易獲得相關審批許可。

在監管態度明確、法律法規完善的情況下,判斷基因編輯作物能否走出實驗室有著更直接的依據。比如美國將基因編輯與轉基因進行區分,而歐洲將二者劃歸到同一法律范疇管理。但在中國,相關的法律法規還較為缺乏,周煥斌表示,因此目前相關研究成果 “還僅限于實驗室內部使用,不能向田間釋放”。

不與轉基因畫等號,脫靶風險可控

周煥斌表示,對大眾而言,最常聽到的生物安全風險概念實際源于上一代轉基因技術,比如有沒有外源轉基因、外源轉基因來自哪個物種。

但需要明確的是,基因編輯比轉基因的概念更廣泛,前者在研究中更多的是指基因的敲除或堿基的改變。

而經過基因編輯改造獲得的種類與發生自然變異的品種,即便是通過分子生物學手段也難以區分。中國農業大學生物學院教授陳其軍告訴《中國科學報》,在研究者看來,二者 “其實是一樣的”。

中科院院士劉耀光、中科院上海生命科學研究院研究員朱健康等人曾于今年年初發表綜述文章,指出無轉基因編輯的植物不應受到特殊的管理政策的約束,對轉基因生物的現有定義和調控框架也應重新考慮,因為通過基因編輯方法實現的基因組修飾,與轉基因技術實現的非常不同。

文章指出,大多數 CRISPR 誘導的基因突變并非大段大段的插入或重排,大多數是小的插入和缺失。這種小的插入或缺失也存在于自然條件下生長的植物,或經輻射、化學誘變劑等大規模誘導的植物中。

另外,傳統轉基因植物中的轉基因是穩定遺傳的,而使用 CRISPR 及其他基因編輯工具構建的性狀改良植物則無穩定遺傳的轉基因。

今年 4 月,劉耀光等人還就植物基因組編輯中的脫靶效應發表文章。劉耀光在文中強調,有別于針對人類的臨床研究和基因治療,植物研究不受倫理學影響,因此對基因編輯中的脫靶效應具有更高耐受性。

陳其軍也表示,與臨床醫療面對的風險不同,植物和動物基因編輯中,脫靶效應的風險較為可控,“在選擇靶點時,可提前通過生物信息學手段,將有潛在脫靶風險的位點排除掉。即便出現脫靶風險,對作物育種來說,也不會存在太大的安全威脅”。

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