基因编辑技术在农业上的应用

2018-04-21 | 作者: 刘奕 王俏琦 张波 章元兵 张子恒 周爽 | 标签: 基因编辑

作者单位:上海科技大学生命科学与技术学院

俗话说,民以食为天。基因编辑技术不仅在医学上有很大的用途,在农业应用中也能大显身手,基因编辑技术不仅能让我们吃饱,而且还能够吃得更好。

基因编辑让西红柿更美味

很多人都吃过西红柿。有人喜欢切片沾糖凉拌,有人喜欢西红柿炒蛋。但大家有没有注意过,市场上能买到的西红柿分好几个品种,有的又大又甜,有的又小又酸,还长得歪瓜裂枣的。既然都是西红柿,为什么它们有那么大的区别呢?

这些差异源于西红柿不同的基因调控。基因就像一本教科书,告诉西红柿应该怎么长。既然西红柿不是生来就注定被人类吃掉,它们的基因教科书自然也不会教它们怎么更容易地被人吃掉。

西红柿的先祖不长这样,它们现在的样子得益于人类数百年来的培育。人工育种时常会遇到一个这样的哲学问题:为什么把几个好品种一起培育的时候,反而组合出了一些不好的后代,而好的品种和不好的品种杂交的后代却更好?造成这个问题的主要原因是,在基因在重组时,往往会丢失掉一些已经“写好的段落”,而换上一些不好的。

所以科学家选择了CRISPR来解决好片段丢失,而带来口味不佳的问题,这种技术就像是基因教科书上的“修正带”和“荧光笔”,可以有目的地修改和编辑基因。有的基因教科书上的段落写得不好,就可以用修正带去掉错误内容,甚至在原来段落上加上更好的内容,从而得到更好的西红柿品种。


►图片来自cen.acs.org

美国冷泉港实验室Zachary Lippman教授一直热衷于西红柿品种的改良,他将CRISPR当作荧光笔使用,去强调了一些基因教科书上的重点段落。这些段落叫做数量性状决定段落(QTL,quantitative traits locations),在这些决定段落前面打个“五角星”,西红柿就知道要重点关注这些地方;而同样地,可以用“荧光笔”叉掉一些不需要的“段落”,就少表达这些地方,这相当于用“修正带”去删除基因。给基因划重点可更灵活地让西红柿产量得到提高,避免了之前人工育种遇到段落丢失的问题。即使多划了一处重点,或者划错了一处重点,其影响也比较小。

CRISPR还能够通过控制西红柿的其他基因,在不影响果实本身的基础上,让西红柿长得更好,正所谓“醉翁之意不在酒”,如修改西红柿的分支和开花数量,可把营养集中于更少的西红柿果实上,让它们变得更美味;修改西红柿柄的形状和枝节的牢固程度,可让西红柿在枝头上挂得时间更长,不容易掉到地上腐烂;修改西红柿开花和结果的周期,让西红柿在中高纬度等寒冷的地方也能更快地成熟。随着科学家对西红柿的基因理解越来越深入,CRISPR作为“修正带”和“荧光笔”可更好地注释这本基因教科书,推出更新版的教科书。

如何让水稻主动远离污染

水稻是中国人的重要主食,科学家也不懈地进行水稻品种改良。家喻户晓的袁隆平院士致力于通过水稻杂交技术得到了超级水稻,解决了亿万人口的吃饭问题。现在有了CRISPR技术,新型水稻品种的研发也如虎添翼。


►图片来自genetic literacy project.org

水稻的生长需依赖土壤和农民不断地灌溉。但由于废弃电池的胡乱丢弃和一些金属电镀工业废水的排放,土壤本身和用于灌溉水稻的水,都被“镉”等重金属污染。“镉”可不是什么好东西,它会在人体内缓慢堆积,你吃进去多少,就留下来多少,量一多问题就来了。上世纪60年代,日本出现过一种怪病——痛痛病,患病的人浑身关节疼痛,难以忍受,最后查明是由于工业废水排放的镉污染造成人体内镉含量超标。

水稻中就是有这样一些基因,在它们的调控下水稻会吸收土壤以及灌溉水中的镉离子与其它的重金属离子,在水稻被人吃掉后,重金属离子就会堆积在体内。相对于玉米和其它粮食作物而言,水稻的产量改良已趋于完善,而除去镉对水稻的污染成了棘手的问题,超级稻和杂交稻还对镉元素的亲和能力更强。如何规避水土污染对水稻品质造成的危害,看上去成了一个两难的问题。

解铃还须系铃人,袁隆平带领团队用CRISPR技术来挑战这个问题。镉离子要想进入水稻,首先要从土壤进入水稻的根部,再通过内部的管道,转运到水稻的胚芽中,最后被人吃掉吸收。所以袁隆平选择从水稻根部入手,利用CRISPR技术修改掉根部细胞中调控金属离子跨膜转运蛋白、韧皮部镉转运蛋白等,多个镉吸收相关蛋白的基因的表达量,以达到降低水稻胚芽中镉离子浓度的目的。但这些蛋白除了吸收镉离子之外,还会吸收锰原子等水稻生长必须的离子。所以这个问题不仅是个定性问题,更是个定量问题。结合原先水稻杂交技术,袁隆平筛选出了在尽可能不影响产量的情况下,含镉量更少的新一代抗镉超级稻。

除此之外,中科院上海植物逆境生物学研究中心朱健康研究组也利用CRISPR技术实现了对水稻的多基因编辑。

为农作物的生长保驾护航


CRISPR不仅能直接修改基因,来优化农作物的果实,还能通过其他的方式保护农作物的茁壮成长。很多昆虫会将农作物作为食物,影响农作物的正常生长。由于昆虫会自己分泌抗菌肽而抵抗各种病原菌的感染,所以在自然条件下的昆虫对周围环境有很强的抵抗力,法国的科学家Emmanuelle Jacquin-Joly将CRISPR技术用于防止虫害。他们将一种鳞翅目害虫的特定气味感受分子从基因组中敲除,并发现70%的后代可以遗传这种突变。通过放飞一些“间谍昆虫”来传播“闻”不到作物的气味的基因,让农作物免收摧残。事实上,研究者还可直接通过CRISPR改造出带有“不孕不育”基因的“间谍昆虫”,直接让害虫“断子绝孙”。

传统防止病虫害的方法是使用杀虫剂和抗生素,但滥用让植物的病虫害愈演愈烈。单一种作物使用同种抗虫剂或抗生素久了,会让病虫害体内产生耐受基因,最后导致无药可用。同时种植种子的单一化也容易带来植物间的“传染病”,如《星际穿越》中描述的枯萎病一样,当一种病虫害完全免疫了现有的所有抗生素或杀虫剂,甚至可能毁掉一个国家的农业。CRISPR技术能让植物本身带上抗性基因而不是通过外用抗生素或杀虫剂达到效果。康奈尔大学的Adam Bogdanove和其合作者JanLeach在研究如何激发水稻本身的免疫系统,让其能抵抗细菌性条纹和枯萎病在内的多种疾病;新泽西州立大学的研究人员通过CRISPR研发出能自身抵抗霜霉病的酿酒葡萄;中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员高彩霞将抵抗白粉病的基因引入了小麦中。

微生物通常和植物有着共生关系,如根瘤菌常常和豆类植物相互依赖、共同生存,因为根瘤菌有极强的固氮作用,能将空气中的氮气转化为植物生长所需要的原料。华中农业大学端木德强教授课题组通过CRISPR修改一种豆科植物百脉根的共生固氮作用的相关基因,以研究其机理并改进这种共生关系,进而实现对植物成长的调控,促进植物生长。

对植物/作物品种的优化


CRISPR也能让一些观赏植物变得更加丰富多彩。牵牛花颜色由一个色素催化相关基因(DFR-B)控制,相当于对应基因教科书中的一行,把它删掉后,牵牛花花瓣就从高贵的紫色变成了纯洁的白色。而通过进一步的基因修饰,可通过精确控制色素酶表达量的多少,来决定牵牛花的颜色,或者通过基因改造来达到不同的颜色,这是多么神奇。而另外一些植物的颜色变化是由于氧化作用,把A颜色分子加上一个氧原子,就变成了B颜色分子。比如常见的蘑菇,通过对多酚氧化酶(PPO)来控制颜色的深浅,如果调控这些酶的表达,蘑菇就会显示一个深度的颜色,或者保持白色。

今天我们吃到的植物,无不是人类长期培育得到的。CRISPR技术的诞生,不仅仅可以加速人类去探索更多未知的植物基因功能,更好地注释这本基因教科书,也能让我们在理解基因功能的基础上,去使用它。

相对于医学和动物而言,植物CRISPR的脱靶问题显得不那么严重。最近,美国食品药品监督管理局(FDA)发布了新规,撤销了对CRISPR作物的严格管控,将CRISPR立为支持发展的项目,鼓励CRISPR植物的种植试验。

未来CRISPR可被用作一种开发更有价值作物的工具,通过对农作物基因进行直接改造,在安全性受保障的前提下,使得农作物质量得到更大的提升。这样的作物在不久的将来,就能飞入寻常百姓家,来到我们的餐桌上,而不是仅仅活跃于实验台上。

*注:本系列文章由上海科技大学生命科学与技术学院刘冀珑教授主持策划。

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来源:知识分子

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