CRISPR:更先进的工具,更优良的作物

2017-09-26 | 作者: Panda | 标签: CRISPR

(基因农业网 Panda编译)大约在2020年,将会有一种新的玉米品种问世,它的出现将是人类在农业作物改造上一个飞跃式的里程碑,它将是史上第一例商业化的基因编辑农作物。不过,目前看来,这个产品还比较低调,关于它的新闻并不多,因为它在经过基因编辑修饰后,仍然不过是一种我们常见的“黏玉米”,也称为糯玉米,看起来与市场上的玉米没什么两样。它的开发商杜邦先锋公司在2016年初宣布这一消息时,关注的人并不多。毕竟,医药公司用CRISPR技术寻找新药的努力早已不算是新闻了。

不过,杜邦公司用CRISPR得到的这个黏玉米品种值得我们关注。CRISPR是基因编辑技术中的一种,其全称为“成簇的规律间隔的短回文重复序列”,可用来删除或改变作物的某些性状。因此,这款玉米产品将意味着作物育种领域的一场革命。并且,该技术在农作物上的应用很有可能会比在医药上的应用更早实现。

在CRISPR技术发展成熟之前,寻找新性状并得到能够稳定遗传的高产作物往往需要花费许多年的时间。这个过程需要大量的筛选和回交过程,并且随机性很大。
“而现在,因为有了实验室和田间的基础研究,我们就能直接去找想要的性状”,冷泉港实验室的生物科学教授Zachary Lippman说,CRISPR是一项革命性的技术,“基本上就像直达列车一样。”

使用CRISPR来增加或删除植物性状比传统育种技术或旧的遗传工程方法更快速、更精准、更容易,在大多数情况下也更便宜。虽然CRISPR技术也能够向植物中引入其他物种的外源基因,但大部分实验室都在积极寻找植物自身含有的多种有用基因。事实上,农业中最有价值的许多性状的强化并不需要从其他物种中引入额外的DNA。

基因编辑的作物有可能实现之前基因工程早期许下的承诺,即,让作物产量更高、抗旱、抗病、更有营养或味道更好。此外,CRISPR不仅可以有效地改善玉米等作物,还可以有效地对水果和蔬菜、观赏植物和木薯等主食作物进行遗传改良。

这项技术的支持者希望那些无法接受基因工程食物的消费者能够接受基因编辑的作物,因为基因编辑不需要引入其他物种的基因,而经过基因工程改良的作物一度被反对者称为“弗兰肯斯坦怪物”食品。

不过,目前尚不清楚消费者对基因编辑食物会作何反应,也不清楚基因编辑技术所带来的新性状是否会得到消费者认可。此外,如果美国和欧洲的法规机构决定以对待转基因作物相同的方式来监管基因编辑的作物,那么CRISPR的潜在商业应用可能就非常有限。

杜邦先锋研发副总裁Neal Gutterson表示,公司希望美国法规机构会像对待常规作物注册一样对待他们的基因编辑黏玉米产品,因为它不含有任何外源基因。事实上,某些玉米品种天然地具有这种黏糯的特性。这类玉米的籽粒中支链淀粉的含量在97%以上,而普通的饲料玉米中支链淀粉含量只有75%左右。其他部分是直链淀粉。由于支链淀粉的吸水性更强,黏玉米的分离产物是更好的纸类黏合剂和食品增稠剂。

与今天我们所能看到的绝大多数作物一样,杜邦公司目前在市场上的黏玉米品种也都是植物育种家们通过传统的育种方式花费了数年时间才得到的。

所谓的传统育种方法是,育种家们必须找到异常或突变的植物,才有可能通过分析发现新的性状。然后,为了将新的性状引入到天然缺乏这种新性状但品质较高的(优良)品种中,育种家们需要对作物进行多代繁殖操作。一开始是突变体和优良品种的第一代杂交混合体,然后不断与优良品种进行数代回交,以便得到一个新性状可稳定存在同时又不失去原有优良品质的品种。

但是这个目标往往很难实现。杜邦公司的植物科学家们发现,玉米的糯性特征往往与一些不理想的遗传性状同时发生,即使在多次回交后,黏玉米的产量也无法达到之前常规玉米的产量表现。不理想的情况普遍存在,育种领域称之为产量拖累。

由于某些玉米品种天然地具有糯性特征,杜邦公司不必依靠借助于外源基因的转基因技术。

这种技术无法按照预设的想法将外源DNA精准地插入宿主植物中的某个特定位置,研究人员必须同时转化成百上千株植物,然后通过一系列测试从中筛选出含有目标性状的表现最好的植株,最后把这些性状整合到优良的常规品种中去。除了让消费者心生疑虑之外,这些利用传统基因工程得到的植物还需要在全球各个国家完成法规审批后才能上市。

与传统方法不同,杜邦公司的植物科学家们利用CRISPR工具,不需要引入任何外源基因,只是部分敲除了一些能够产生直链淀粉的酶的编码基因。也就是说,通过直接对玉米基因组进行了小小的改造,他们就创造出了一个表现优良的黏玉米品种,同时对作物产量没有不利影响。

当然,即使是有CRISPR这样强大的基因编辑工具,育种家们仍然可能需要进行杂交和回交等操作,同时测量并观察,因为目标性状在植物中未必会表现良好。“它不是万灵药,”Lippman说,“但它是有史以来最强有力的工具之一。”

杜邦公司是将CRISPR技术应用到农作物上的先驱,早于孟山都或是其他种子公司。2015年,该公司与维尔纽斯大学和卡里布生物科学公司签订技术转让协议,卡里布公司的创立者是来自于加州大学伯克利分校的CRISPR研究先锋科学家Jennifer Doudna。

Gutterson称,他的研究小组于2015年初开始新型黏玉米方面的工作,“从这第一个产品上,我们观察到或者说学习到的是,这种技术可以大大缩短产品进入市场的时间。”基因编辑玉米品种上市之前所花费的时间不超过五年,而即使是一个新的常规玉米杂交种也需要大约八年时间。

Gutterson说,如果要选一个商业化产品来尝试CRISPR技术,黏玉米无疑是一个好选择。这种性状天然地存在于常规玉米中,在市场上存在了许多年,农民非常熟悉。

另一个原因是植物科学家对玉米基因组和黏糯性状已经有了非常深入的了解。 Gutterson说:“你必须真正了解控制这个性状的基因、基因组以及编辑后的效果。(黏糯性状)这种基因以多种版本存在于自然界中,使得我们可以轻松地获得我们真正想要的性状。”

植物科学家认为,更深入地了解物种的基因组,包括明确目标性状的编码基因身份,是广泛使用基因编辑的主要障碍。直到2010年,研究人员才获得了完整的玉米基因组信息,并且一些重要的玉米品种的测序工作仍在进行中。

北卡罗来纳州立大学系统和合成生物学教授Heike Sederoff说:“植物与动物一样有很多基因,其中大部分我们都还不了解。 “我们不知道它们有什么功能,为什么会存在,以及如何进化而来。”

不过,在这些方面,CRISPR也很容易打败其它技术。为了从植物基因组的20,000到30,000个基因中找出某一个特定基因的功能,科学家们可以敲除这个基因或者添加额外的拷贝来放大其对植物的影响。Sederoff说“我们曾经借助于病毒或细菌来插入DNA,但定向插入是个难题。”

“这里CRISPR就能帮助我们。它允许我们非常特定地针对某一个基因进行操作,将其敲除或是稍加修改。我们可以对任何基因进行研究,并且可以同时对多个基因进行操作。操作很简单。”

Sederoff的实验室正在研究如何增加油料作物的含油量,比如低芥酸油菜和工业作物山茶。她的团队正在寻找运输糖类或从茎杆进入种子中转化为脂肪酸的关键基因。她提出:“我们是否能够产生更多种子?是否能够改变种子的组成或大小?”

在一组实验中,Sederoff使用CRISPR将一种使番茄有甜味的基因引入油料作物中,结果发现种子的产量翻番了。她在报告中称,这一过程花费了不到两年的时间,与之相比,旧的技术则需要10年的时间。从长远来看,研究人员有可能会发现从番茄中分离的基因相似的油料作物中的基因,以求得到非转基因的高产作物。

冷泉港实验室的Lippman也在对番茄进行研究。他的团队正在寻找控制植物何时何地开花以及开多少花,从而决定番茄果实数量的基因。这意味着需要了解产生花的分支(称为花序)的干细胞是如何发育和分化的。

过去,育种家很难协调花序的数量和分布。Lippman发现,这个难题的关键在于,数十年来的作物驯化和改良所产生的两种特性阻碍了育种手段对开花过程的干涉,其中一个特性帮助植物支持起更重的果实,另一个特性是消除了果实与茎杆的结点,以防止番茄在未成熟时从茎杆上脱落。

Lippman称,有了CRISPR工具之后,驯化和改良对作物带来的影响就可以撤消了。“我们现在有许多利用基因编辑技术的办法来分别改良果实大小和重量、产生花的分支,花的数量,以及植物从紧实的小灌木慢慢舒展开并不断生长的结构。”

另一个番茄育种中的失误是,现在番茄品种普遍都缺乏味道和香气,研究表明,由于育种家们专心追求产量、均一性和适宜收获的特性,无意中丢掉了那些使番茄更香更美味的性状。野生番茄和遗留物种中仍然还存在着这些基因。

Lippman说:“现在我们就要对它们进行育种或是编辑,重新得到味道更好的番茄,这是大家一直以来想要的。”

棉花种植者也对CRISPR基因编辑在质量改良方面的前景感到兴奋。一家由棉农支持的推广组织Cotton公司的农业与环境研究副总裁Kater D. Hake解释说:“与玉米和大豆相比,棉花种植面积相对较小。传统的生物技术产品所需要的法规监管成本使得棉花行业利润很低,除非是那些具有极高价值的性状,比如抗虫和抗除草剂。”
研究人员正在探索棉花基因组(2015年首次测序完成),寻找控制棉纤维形状、结构、长度和强度的基因。“这是一个可持续发展的故事,”Hake说,“提高棉纤维质量意味着更强韧、更细致的棉纱,因此制造出来的服装比较耐穿,所需要的棉纤维总量也相对较少。”

事实上,对于如何使用CRISPR来制造出消费者想要的更高质量、更可持续的作物产品,研究人员从来不缺创意。但到目前为止,大部分工作都只是概念上的。目前尚不清楚哪些创意最终真正能够进入市场。

有一个问题始终存在,即较小规模的种子公司和研究机构可能并不具备足够的能力来开发并商业化具有新性状的作物,在这方面他们输给了数十年前就已开始这方面研究的农业巨头公司,比如杜邦。

位于圣路易斯市的初创公司Benson Hill Biosystems正在与小型种子公司和学术研究人员一同合作,利用其依托于数据的基因组学平台来帮助他们开展作物改良项目。比如该公司正在与家族企业Beck's Hybrid公司和J.R. Simplot公司的马铃薯专家合作,为他们提供更强大的实验室研发能力。

Benson Hill Biosystems的首席执行官Matthew Crisp表示:“杜邦和孟山都在整个行业中所起到的创新作用将会相对减弱,这就像10-15年前许多大型制药公司所发生的转变一样,越来越多的小型企业开始主导早期阶段的发现。”Crisp表示,CRISPR基因编辑和基因组数据工具将使新性状的引入门槛大大降低。
另一个制约因素是少数几个组织机构掌控着CRISPR的重要专利,其中一些已经诉诸法庭。所以Benson Hill的科学家正在开发一种替代Cas9的方法,Cas9是对DNA进行剪切的酶。Crisp称这项工作是“CRISPR 2.0”,他表示,他希望新工具比目前的工具更高效,也更容易获得。加州大学伯克利分校的研究人员也在开发Cas9替代方法。

一方面,CRISPR技术不断进步,而另一方面,政府监管机构和消费者的接受程度却仍然是个问题。

今天,希望出售基因编辑植物的公司可以向美国农业部咨询,他们的产品是否需要进行监管审查。到目前为止,美国农业部已经明确作出回应,对于不含有外来基因的植物,它没有监管的权力。转基因植物之所以需要受到监管是因为它们含有来自其他物种的基因或转入了可能将植物有害生物引入环境的载体。

早在1987年就已确立的监管框架目前正在进行全面审查,6月19日之前,USDA就如何对遗传改良作物进行风险评估开放接受公众评论。另外,其他国家也有可能制定出不同的、更为繁冗的监管规则。

许多研究人员认为,监管机构应该关注新增或改变的性状是否构成可预见的风险,而不是用于获得植物性状的过程。

一些人表示监管政策在变化,新的编辑技术的出现可能会模糊转基因生物(GMO)与非转基因生物之间的界限。目前,含有转基因成分的食品必须进行标识,而尚不清楚CRISPR基因编辑的产品是否需要标识。

原文链接:CRISPR: A new toolbox for better crops, http://cen.acs.org/articles/95/i24/CRISPR-new-toolbox-better-crops.html 

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来源:基因农业网

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