從轉(zhuǎn)基因到基因編輯，未來它們將是餐桌上必不可少的食物
過去的一年，基因編輯技術(shù)摘得諾獎，風(fēng)頭正勁，圖片截自nationalgeographic.com
“孟加拉或?qū)⒊蔀槿蚴讉€批準(zhǔn)種植轉(zhuǎn)基因‘黃金水稻’的國家?！?/span>
“阿根廷批準(zhǔn)抗旱型轉(zhuǎn)基因小麥，農(nóng)業(yè)界擔(dān)憂本國農(nóng)產(chǎn)品出口受損。”
“大北農(nóng)子公司產(chǎn)品獲得農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全證書公示?！?/span>
“農(nóng)業(yè)部新批準(zhǔn)進(jìn)口5種農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物?！?/span>
“嚴(yán)令禁止生產(chǎn)、經(jīng)營和使用非法轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物種子?！?/span>
“日本批準(zhǔn)銷售基因編輯西紅柿，最早2022年上市。”
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撰文 | 驍 銘
責(zé)編 | 葉水送
從轉(zhuǎn)基因到基因編輯作物，這一條條新聞的背后，都在向我們預(yù)示著，在未來的某一天，轉(zhuǎn)基因/基因編輯農(nóng)作物將大有作為。
什么是轉(zhuǎn)基因作物，為什么要對它們進(jìn)行轉(zhuǎn)基因？所謂轉(zhuǎn)基因作物（Genetically Modified Crops），就是利用基因工程技術(shù)改變已有作物的遺傳信息，從而得到更有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的作物[1]。
在大多數(shù)情況下，目的是向作物中引入一種新的性狀，如：對某些害蟲、疾病、化學(xué)藥劑（除草劑）、對惡劣環(huán)境（抗寒抗旱）的抵抗力等。
舉一個簡單的例子，莊稼在田間地頭被害蟲過度啃食，從而導(dǎo)致大幅減產(chǎn)，那就給莊稼加一段可以“抗蟲”的基因來解決這個問題。
圖a，玉米祖先大芻草（左）與經(jīng)過幾千年馴化后的玉米（右）；圖b，sub1a-1基因賦予了水稻抗?jié)承裕ū谎秃蠡謴?fù)兩周）；圖c-d，普通茄子（c）與Bt茄子（d）；圖e，野生型番茄的花與經(jīng)Cas9靶向突變MULTIFLORA基因座后番茄的花，圖源Nature Food
這里區(qū)別一個概念。以雜交水稻為例，雜交水稻是將兩株具有不同優(yōu)良性狀的水稻進(jìn)行雜交，以期獲得同時具有不同優(yōu)良性狀的雜交種。雖然這類育種方式同樣改變了水稻原有的遺傳信息，但這種改變并不是通過基因工程技術(shù)進(jìn)行基因插入或替換的，換言之雜交水稻獲得的優(yōu)良基因仍來自于水稻，并不產(chǎn)生新基因。
這種雜交選育與轉(zhuǎn)基因育種存在本質(zhì)上的區(qū)別。雜交選育需要經(jīng)歷漫長的時間，改善的性狀到底是一個還是一群，只有等第二年的莊稼長出來才知道；雜種后代還會出現(xiàn)性狀分離的現(xiàn)象，如果以雜種后代作為種子繼續(xù)種植，優(yōu)勢性狀就會逐漸消失，因此每年都要制作一批高產(chǎn)的種子。而轉(zhuǎn)基因育種一般不需要經(jīng)歷很長時間，通過基因工程技術(shù)人為添加有利基因或刪除有害基因，即可獲得可穩(wěn)定遺傳的突變株，經(jīng)過人為更改的基因一般不會發(fā)生變化。
因此，轉(zhuǎn)基因作物的歷史雖不悠久，但成果卻不勝枚舉。
那些轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物們
1983年，第一個通過基因工程改造的農(nóng)作物問世，它是由攜帶質(zhì)粒的根瘤農(nóng)桿菌（Agrobacterium tumefaciens）直接感染煙草，隨后選擇一個包含該嵌合基因的煙草細(xì)胞，并通過組織培養(yǎng)技術(shù)將其培養(yǎng)為一個全新植株[2]。
世界上第一個進(jìn)行商業(yè)種植的轉(zhuǎn)基因作物：Flavr Savr番茄，很難發(fā)現(xiàn)其與正常番茄的區(qū)別，圖源ucanr.edu
目前，所公認(rèn)的第一種獲得消費(fèi)許可的商業(yè)種植的轉(zhuǎn)基因作物是加爾金（Calgene）公司于1994年發(fā)布的番茄。正常的番茄中會分泌β-多聚半乳糖醛酸酶（β-polygalacturonase），這種酶可以降解細(xì)胞壁中的成分，從而使番茄變軟。因此該公司在正常的番茄中引入了該基因的的反義基因，以降低它的表達(dá)量，從而使番茄在采摘之后保鮮時效更長久。后來有學(xué)者質(zhì)疑其中加入的編碼卡那霉素抗性的基因可能對人體有潛在威脅，再加上公司業(yè)務(wù)能力的不足，最終該番茄在上市僅四年后就停產(chǎn)了[3]。
從產(chǎn)品問世到批準(zhǔn)種植再到獲得FDA的商業(yè)化許可，這位“世界第一”番茄花費(fèi)了7年時間。由此可見，轉(zhuǎn)基因作物想獲得“實(shí)現(xiàn)自身價值”的機(jī)會，需要經(jīng)過長時間和嚴(yán)格的食品安全評估，這并不是一件輕而易舉的事。
同年，歐盟批準(zhǔn)了抗溴苯腈（一種除草劑）的轉(zhuǎn)基因煙草上市，這是歐洲第一個獲得商業(yè)化許可的轉(zhuǎn)基因作物[4]。
1995年，在先后經(jīng)過美國FDA與EPA（美國環(huán)境保護(hù)署）批準(zhǔn)后，首個具有抗蟲害功能的馬鈴薯品種橫空出世?？茖W(xué)家向普通的馬鈴薯中導(dǎo)入了蘇云金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis）的毒素基因，馬鈴薯甲蟲幼蟲一旦采食該轉(zhuǎn)基因馬鈴薯，便會遭受致命打擊，因此可以極大減少殺蟲劑的使用。
值得一提的是，這種毒素對動物、魚類均無毒副作用[5]。這款轉(zhuǎn)基因馬鈴薯，來自孟山都公司（注：現(xiàn)已被德國拜耳公司收購）。在隨后的幾年里，該基因被轉(zhuǎn)入其它作物中，均取得很好的抗蟲效果。
由于該基因顯著的抗蟲效果，因此用Bt基因特指來自蘇云金桿菌中編碼毒素的抗蟲基因。隨后，該基因又被相繼導(dǎo)入玉米、大豆、棉花等農(nóng)作物中，形成相應(yīng)的商業(yè)化轉(zhuǎn)基因抗蟲品種。轉(zhuǎn)入Bt基因而獲得抗蟲性的作物品種一般會被稱為Bt XX，如Bt玉米。
野生型（左）和轉(zhuǎn)基因型（右）花生同時暴露于玉米螟幼蟲，圖源Wikipidia
電子顯微鏡下的蘇云金芽孢桿菌：（a）營養(yǎng)細(xì)胞（b）芽孢（c）毒素晶體，圖源Comprehensive Biotechnology (Third Edition)
隨后，越來越多的轉(zhuǎn)基因作物被批準(zhǔn)用于商業(yè)化種植，這其中包括我們熟知的：煙草、棉花、大豆、玉米、油菜、番茄、馬鈴薯等，而轉(zhuǎn)基因作物的新性狀主要包括：抗除草劑、抗蟲和復(fù)合性狀（多種性狀的結(jié)合）[6]。
常見的轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物，圖源Organic Lifestyle mag
轉(zhuǎn)基因作物怎么轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)什么？
現(xiàn)在，如果我們想要通過基因工程的手段使農(nóng)作物獲得有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的表型，相信各位從上文的講述中都有了一定了解。
簡要概括一下。我們需要得到某種基因，并將其固定在質(zhì)粒載體上。將這個質(zhì)粒載體轉(zhuǎn)入作物的細(xì)胞，使該基因可以固定在作物的遺傳信息中，并且該基因能夠穩(wěn)定表達(dá)，從而使作物獲得相應(yīng)的性狀，那么理論上我們就已經(jīng)獲得了一株轉(zhuǎn)基因作物。
如何實(shí)現(xiàn)作物轉(zhuǎn)基因過程的示意圖，圖源leafexpressionsystems.com
但這些過程我們應(yīng)該如何去實(shí)現(xiàn)，我們要通過什么方式將基因轉(zhuǎn)進(jìn)去，并且這些基因從何而來，我們該如何找到并獲得調(diào)控我們所預(yù)期性狀的基因？
基因轉(zhuǎn)入植物細(xì)胞，其實(shí)沒那么容易
與細(xì)菌這樣的原核細(xì)胞和哺乳動物細(xì)胞這樣的真核細(xì)胞不同，植物細(xì)胞的轉(zhuǎn)化效率一直是作物改良的瓶頸[7]。這其中有幾個因素，首先，植物細(xì)胞具有細(xì)胞壁，這是一道難以逾越的屏障；另外，植物細(xì)胞對外源DNA的吸收與其在基因組中發(fā)生整合具有明顯的抵抗性；就算是這些都成功了，轉(zhuǎn)化并整合成功的植物細(xì)胞也不是每一次都可以發(fā)育為一個完整植株的。
采用農(nóng)桿菌攜帶外源基因并使其入侵植物細(xì)胞，農(nóng)桿菌會將自身基因整合入植物宿主中。這是最早用于植物細(xì)胞轉(zhuǎn)化的方式，并且沿用至今，但這種方法有一個致命的弱點(diǎn)，它只能用于轉(zhuǎn)化較為敏感的植物細(xì)胞。
使用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化的茄子。圖源：Wikipedia。
農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)染不成功，該如何是好？不妨試試基因槍吧。
美國Bio-rad公司生產(chǎn)的手持基因槍（左）與臺式基因槍（右）。圖源：www.bio-rad.com。
基因槍可將目標(biāo)基因或其它生物分子“發(fā)射”入植物細(xì)胞中，轉(zhuǎn)化過程簡單快捷。其中最常用的一種方法是，將DNA與鎢或金的細(xì)小顆粒結(jié)合，然后在高壓下被噴入植物組織或單個植物細(xì)胞中，其中被加速的粒子可穿透細(xì)胞壁和細(xì)胞膜。之后DNA可與金屬離子分離，并整合入細(xì)胞核內(nèi)的DNA中。該方法已成功用于栽培多種作物，尤其是單子葉植物如小麥和玉米等。該方法主要的缺點(diǎn)在于，由于轟擊壓力大，會損害細(xì)胞或組織[8]。
上述兩種方法都可以使轉(zhuǎn)基因成為可能，但從開始制備材料到最終轉(zhuǎn)化植株恢復(fù)的過程都需要經(jīng)過漫長的等待，該過程通常要持續(xù)幾個月，且雖然成功實(shí)現(xiàn)了外源基因的轉(zhuǎn)入，但都沒繞過轉(zhuǎn)化效率低這一關(guān)鍵性問題[9-10]。
基因編輯技術(shù)同轉(zhuǎn)基因有哪些不同？
上文所講述的轉(zhuǎn)基因方法，都是比較簡單的，我們只需要找到可以賦予作物特殊性狀的基因，在它的前面加上啟動子，并導(dǎo)入質(zhì)粒中轉(zhuǎn)入作物細(xì)胞，使其整合在DNA中，但是這樣一來，整合的位置我們便不得而知。那么，有沒有一種方法，可以使這個過程，變得精準(zhǔn)而優(yōu)雅？
如上文中所說的，如果降低番茄中β-多聚半乳糖醛酸酶的表達(dá)量，就會使番茄的儲存時間更久。那么如果想進(jìn)行這樣的基因操作，除了用表達(dá)反義RNA的方法來降低其表達(dá)量外，還可以通過特異性靶向該序列的核酸酶來直接對基因執(zhí)行敲除或敲低的操作。
CRISPR技術(shù)應(yīng)用于植物基因組編輯的模式圖，圖片來自Nature Food。
目前，使用最多的定點(diǎn)靶向核酸酶主要是CRISPR/Cas核酸酶。簡單地講，如果我們想用CRISPR/Cas核酸酶對作物執(zhí)行基因編輯的話，只需要在我們選定的序列中的特定位點(diǎn)處選擇一段序列，那么該序列就可以通過互補(bǔ)配對的方式準(zhǔn)確定位在我們想要執(zhí)行基因編輯的區(qū)域。將CRISPR/Cas系統(tǒng)轉(zhuǎn)入植物細(xì)胞后，該序列會轉(zhuǎn)錄成一段小RNA（CRISPR RNA），并且牽引Cas蛋白到達(dá)目標(biāo)序列，只聽“咔嚓”一聲，Cas蛋白就可以把目標(biāo)序列剪斷。再之后，想執(zhí)行敲除、插入、敲低等一系列操作，只需要向其中導(dǎo)入對應(yīng)的修復(fù)模板，整個過程就圓滿完成啦！（是不是簡單快捷？）
在這項技術(shù)出現(xiàn)之前，人們在賦予作物一個新性狀時很少提及作物的生產(chǎn)性能，因?yàn)樽魑锏漠a(chǎn)量是一個非常復(fù)雜的性狀，它由植物結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分的獲取和分配能力、遇到的病蟲害與非生物脅迫等多種因素共同決定?；蚓庉嫾夹g(shù)的出現(xiàn)賦予了科學(xué)家對多基因同時編輯的能力，因此允許對作物更多的性狀進(jìn)行改變。
在番茄、油菜和水稻中執(zhí)行CRISPR系統(tǒng)介導(dǎo)的基因編輯后，分別改變了果實(shí)大小、花和葉片的數(shù)量、種子的產(chǎn)量、植株大小等表型，直接提高了作物產(chǎn)量[11-13]。
不僅如此，該方法在增強(qiáng)作物抗病性和提高作物品質(zhì)方面都有不菲的貢獻(xiàn)，在此不再舉例。
從上述內(nèi)容中我們可以看出，通過組學(xué)分析、對表型改變有貢獻(xiàn)的基因，只要被成功鑒定，并且使用特異性靶向該序列的核酸酶對其進(jìn)行基因編輯，我們就可以逐步獲得我們期待的那個理想作物。
基因編輯和轉(zhuǎn)基因有哪些差異？簡單來講，與基因編輯相比，轉(zhuǎn)基因作物在原理上更為簡單，因?yàn)橹恍枰淹庠椿蜣D(zhuǎn)入作物中即可。但是這樣的基因操作略顯粗糙，我們無法決定外源基因插入的位置，并在引入目標(biāo)基因的同時，可能還會引入一些多余的基因，而這些基因，可能會對人體造成潛在危害。
而基因編輯卻可以實(shí)現(xiàn)對特定目標(biāo)基因的定向改造。在確定我們想要進(jìn)行基因編輯的位置后，通過序列設(shè)計，即可在該位點(diǎn)進(jìn)行外源基因的插入、內(nèi)源基因的刪除、內(nèi)源基因的沉默或激活、內(nèi)源基因的定點(diǎn)突變與內(nèi)源基因的甲基化修飾等一系列操作。不僅如此，還可以通過設(shè)計，同時對多個位點(diǎn)執(zhí)行編輯。這項顛覆性技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用，讓我們能以前所未有的深度和廣度實(shí)現(xiàn)對生物體的基因改造，精確把控目標(biāo)編輯位點(diǎn)及改造的序列信息，從而避免其他不必要的基因突變或外源基因插入，極大地提高了基因改造的安全性，為人類社會的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。
目前，“基因編輯是國際育種界正在競爭的制高點(diǎn)”，中科院遺傳發(fā)育所李家洋院士表示，“如果雜交育種是1.0版本，分子標(biāo)記育種是2.0，轉(zhuǎn)基因育種是3.0，那么基因（組）編輯育種就是4.0版本。”
“基因編輯育種可以打破傳統(tǒng)育種的瓶頸，實(shí)現(xiàn)‘精準(zhǔn)育種’、‘精準(zhǔn)營養(yǎng)’。”中國科學(xué)院上海植物逆境生物學(xué)研究中心主任朱健康介紹，以單一食物可以滿足人體基本營養(yǎng)需求的藜麥為例，預(yù)計今后幾年內(nèi)能夠培育出畝產(chǎn)千斤的品種。
參考文獻(xiàn)
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