科普创作

【科普创作】当“基因剪刀”遇上农业生产

录入:平顶山市科技局  www.pdsti.cn   2019-04-23 15:22:28   人气:

来源:中国科学报

作者:任芳言
 
 
与发达国家相比,饲养在非洲撒哈拉沙漠以南的牲畜无论是产奶量还是产肉量都要稍逊一筹。图片来源:BEN SADD/MINDEN PICTURES
■本报见习记者 任芳言
自CRISPR/Cas9“基因剪刀”诞生后,生命科学领域各类研究成果相继涌现。这一发现于细菌天然免疫系统内的工具可对真核细胞DNA进行迅速高效的切割。经过多种改造和延伸,CRISPR/Cas9强悍的应用潜力引起诸多研究者的兴趣,其应用范围至今仍在不断拓展。
除了治愈遗传疾病、制造更强大的干细胞,基因编辑还可能为农业带来新的翻盘机会。比如让牛远离结核病、让水稻更耐寒、让大豆或玉米更高产。
目前,美国农业部已经明确基因编辑作物无需受到与转基因作物规格相同的监管,但欧盟最高法院却规定,基因编辑作物应与转基因生物遵守同样严格的法规。
无论是畜牧业还是种植业,都需要培育出更强壮、更高产的作物以提高经济效益。不管怎样,日渐增多的研究成果使人们对基因编辑的认识愈发深刻。
动物研究规模化道阻且长
对欠发达国家和地区而言,在基因编辑技术出现之前,养殖牲畜的小农场主往往要靠天吃饭。以乳制品产量为例,在非洲撒哈拉沙漠以南地区,即便是最好的情况,当地奶牛的生产力也远不及温带气候下的奶牛。
落后的养殖技术和方法也导致产量低下。此外,因为没有规模化养殖,小农场主承担风险的能力极弱,一场病害就可能导致贫困。
有研究者正利用基因编辑手段,通过长期、规模化的培育项目,帮助欠发达地区的农牧民培育出更强壮、更高产的动物。
Appolinaire Djikeng是热带牲畜遗传学健康研究中心的负责人,他与同事追踪选定范围内的遗传信号,比如影响牲畜迅速生长或抵抗病害的基因。
不过,Djikeng本人曾在接受媒体采访时表示,目前的操作较多针对的是易识别的单个遗传信号,“如果我们识别出单一基因或变体与某个重要的遗传信号有关,那么就可以进行基因编辑”。这一研究项目得到了盖茨基金会的支持,但也遭到一些动物福利团体的反对。
一个所有研究者都无法忽略的问题是:对动物而言,许多性状并不只是由单一基因决定,而是由多个基因共同调控的结果。西北农林科技大学动物科技学院副教授徐坤对《中国科学报》表示,这会导致通过基因编辑育种获得优良动物新品种的难度大大提高。
“另外,基因编辑育种需要形成一定规模且繁殖多代以观成效,这需要大量资金支持。”徐坤指出,受限于评价标准和监管体制尚不完善、资金来源、社会认可等问题,目前针对牲畜的基因编辑育种研究大部分仍停留在实验室或处于封闭式小规模繁殖阶段,“因此针对牲畜的基因编辑育种研究,其规模化、市场化还有一段路要走”。
农作物成果频现但不明朗
与针对人类的临床研究和针对动物的遗传改造相比,植物的基因编辑较少受到伦理影响。但不少植物有坚韧的细胞壁,尤其是小麦、玉米等重要经济作物,用CRISPR对其进行改良也很困难。
可这无法阻挡研究者的脚步,“如何利用基因编辑技术,将影响农艺性状的关键控制基因用于育种改良和实际生产,是近年来的研究热点之一。”中国农业科学院植物保护研究所研究员周焕斌告诉《中国科学报》。
周焕斌指出,大部分优良性状的获得是源于基因序列发生变异。理论上可通过CRISPR/Cas9技术以及基因组DNA的同源重组改变基因的序列,不过由于基础理论研究有限,相关应用的实际效果不尽人意。
解决方案之一是有针对性的改造,比如瞄准基因内部的关键核苷酸。借助CRISPR/Cas9技术,周焕斌与合作者开发出一系列单碱基编辑器,实现了水稻基因组中靶核苷酸4种碱基的编辑替换。这一研究可有效矫正水稻品种的缺陷性基因,并加快水稻育种进程。
的确,缩短育种进程、提高效率是基因编辑技术的强项。今年3月,来自农业科技企业先正达的科学家在《自然—生物学》上发表了一项研究。研究人员将单倍体诱导育种与基因编辑相结合,实现了对某些玉米品种的直接改良,进一步缩短育种周期。
据介绍,由于研究并未将CRISPR基因直接引入最终作物的DNA中,依照美国现行法规,该方法不属于转基因范畴,或许未来更易获得相关审批许可。
在监管态度明确、法律法规完善的情况下,判断基因编辑作物能否走出实验室有着更直接的依据。比如美国将基因编辑与转基因进行区分,而欧洲将二者划归到同一法律范畴管理。但在中国,相关的法律法规还较为缺乏,周焕斌表示,因此目前相关研究成果“还仅限于实验室内部使用,不能向田间释放”。
不与转基因画等号,脱靶风险可控
周焕斌表示,对大众而言,最常听到的生物安全风险概念实际源于上一代转基因技术,比如有没有外源转基因、外源转基因来自哪个物种。
但需要明确的是,基因编辑比转基因的概念更广泛,前者在研究中更多的是指基因的敲除或碱基的改变。
而经过基因编辑改造获得的种类与发生自然变异的品种,即便是通过分子生物学手段也难以区分。中国农业大学生物学院教授陈其军告诉《中国科学报》,在研究者看来,二者“其实是一样的”。
中科院院士刘耀光、中科院上海生命科学研究院研究员朱健康等人曾于今年年初发表综述文章,指出无转基因编辑的植物不应受到特殊的管理政策的约束,对转基因生物的现有定义和调控框架也应重新考虑,因为通过基因编辑方法实现的基因组修饰,与转基因技术实现的非常不同。
文章指出,大多数CRISPR诱导的基因突变并非大段大段的插入或重排,大多数是小的插入和缺失。这种小的插入或缺失也存在于自然条件下生长的植物,或经辐射、化学诱变剂等大规模诱导的植物中。
另外,传统转基因植物中的转基因是稳定遗传的,而使用CRISPR及其他基因编辑工具构建的性状改良植物则无稳定遗传的转基因。
今年4月,刘耀光等人还就植物基因组编辑中的脱靶效应发表文章。刘耀光在文中强调,有别于针对人类的临床研究和基因治疗,植物研究不受伦理学影响,因此对基因编辑中的脱靶效应具有更高耐受性。
陈其军也表示,与临床医疗面对的风险不同,植物和动物基因编辑中,脱靶效应的风险较为可控,“在选择靶点时,可提前通过生物信息学手段,将有潜在脱靶风险的位点排除掉。即便出现脱靶风险,对作物育种来说,也不会存在太大的安全威胁”。
 


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