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    基因编辑为育种带来新天地

    时间:2017-11-03 15:58来源:6维度转载 作者:佚名 浏览: 次    收藏 挑错 推荐 打印
    摘要:利用基因编辑技术进行农作物育种,如今已经成为国际科学竞赛新的热门领域,国内外都有前沿消息传来。下面,我们特约请中国水稻研究所副研究员王春介绍有关这方面的知识。

    不久前,袁隆平院士宣布了一项重大成果:水稻亲本去镉技术获得突破,为解决镉污染土地种植安全水稻提供了先进方案。这项重大成果是利用基因编辑技术实现的。

    利用基因编辑技术进行农作物育种,如今已经成为国际科学竞赛新的热门领域,国内外都有前沿消息传来。下面,我们特约请中国水稻研究所副研究员王春介绍有关这方面的知识。

    1.农业育种为什么需要基因编辑技术

    生物体的性状及活动都是由基因控制的。如果将决定一个生物体最根本遗传信息的基因组比喻成一本书,那么人类首先要做的事情是读出这些DNA序列信息,获得这本生命之书。随着测序技术的进步和测序成本的降低,越来越多的生命之书被破解,例如人类的基因组序列早在2003年就已测序完成并对外公布;水稻、玉米、番茄等重要农作物的基因组序列也已测序完成。

    获得了这本生命之书后,人们尝试着读懂这些信息。在过去的二十几年里,科学家主要通过突变体来解读这些基因信息。以水稻为例,通过化学或物理诱变的方法,随机改变遗传信息,获得各种各样千奇百怪的水稻突变体,从最简单的一个基因控制一个表型入手,先观察受影响的表型,再找到控制这个表型的基因,解读那段基因序列的功能。通过不懈的努力,许多控制重要农艺性状的基因已经被解读,为下一步的改造提供了依据。当然,还有更多未知的基因功能等待着科学家研究。

    接下来,人类想做的就是如何按照我们的需求来编辑修改这些遗传信息,并使之可以固定遗传。这就迫切需要一把“基因魔剪”——基因编辑技术。

    早期的ZFNs和TALENs技术最先被应用于基因编辑,但由于这两项技术的使用比较复杂且成本较高,限制了它们的广泛推广应用。

    2012至2013年间,一项新的基因编辑技术CRISPR-Cas9横空出世,具有简单高效的优点,立即风靡生物界,大大推进了基础科学研究、人类基因治疗与作物遗传育种等领域的研究进展。CRISPR-Cas9系统主要由两个元件组成,一个是负责切割DNA序列的核酸酶Cas9,另一个是负责在基因组上精确定位的sgRNA,它们俩就像一把剪刀和一把尺子一样,在基因组这本生命之书上精准地找到需要编辑的位置,进行剪切,就如同我们在电脑上编辑一篇word文档那么简单。

    2.与转基因技术完全不同

    基因编辑技术育种与我们常听到的转基因技术育种是两种完全不同的技术。

    转基因技术是将人工分离和修饰过的外部基因导入到目的生物体的基因组中,从而改造生物。转基因导入的基因片段在受体基因组中插入的位置是随机的,并不固定。在农业育种上,科学家往往将另一物种中的某些基因转到农作物中,以达到抗虫、抗病、抗除草剂等目的。例如,利用Bt基因抵抗棉铃虫就是一个成功应用微生物杀虫剂的转基因例子。Bt基因是来自苏云金杆菌的一段DNA序列,将这段来自细菌的序列通过转基因技术转到棉花中时,相应的转基因棉花就会表达BT蛋白,从而达到杀死棉铃虫保护棉花的目的。BT蛋白特异性地针对鳞翅目昆虫发挥作用,人类和绝大多数动物既没有可以激活原毒素的蛋白酶,也不存在能和BT蛋白特异性结合的受体,所以BT蛋白对人类的健康没有任何影响。

    基因编辑技术不转入外源基因,只是对作物内部存在的基因进行修饰。基因编辑技术通常是将农作物本身的一些“不良基因”敲除,达到去劣存优的目的,这需要在基因组上精准地找到目标,并进行如外科手术般精准的遗传操作。要想成功实施基因定点编辑,首先就是要将“剪刀”和“尺子”传递到细胞核里,接触到基因组序列,对目标基因进行编辑。在完成目标基因的微创手术之后,所有的外源成分将被完全剔除掉。因此基因编辑的工具,如同上了屋的梯子,在使用完毕后,就被剔除了。在最终获得的植株中,并没有残留一点外源成分,具有与常规诱变品种无异的优点,因此在作物改良的生产应用上更为安全。

    3.在农作物育种中优势初显

    “基因魔剪”已经在部分农产品中发挥功能,为我们创造了一些之前很难获得的新品种。

    白粉病是小麦的重要病害之一,严重影响到小麦的产量和品质。中国科学院遗传与发育生物学研究所的高彩霞研究员与中国科学院微生物所的邱金龙研究员合作,利用基因编辑技术,首次在小麦中实现了MLO基因的突变,从而获得了对白粉病具有广谱抗性的小麦材料,并且整个过程最快仅需要半年左右时间,在小麦农业安全生产上具有重大意义。

    美国Calyxt公司通过基因编辑技术降低土豆中天门冬酰胺和单糖的含量,使得土豆既能够耐冷藏,同时能够减少高温烹饪时产生的致癌物质丙烯酰胺。

    宾夕法尼亚大学的杨亦农实验室利用CRISPR-Cas9 技术,在白蘑菇中将容易引起褐变的多酚氧化酶的编码基因敲除了1个(原来有3个),将该酶活性降低了30%,从而获得了不易褐变的白蘑菇,更易于保存及运输。

    美国杜邦先锋公司通过CRISPR-Cas9技术敲除控制直链淀粉合成的Waxy1基因获得了糯玉米新品种。

    不久前,中国工程院院士、“杂交水稻之父”袁隆平宣布了一项重大成果:水稻亲本去镉技术获突破。袁隆平的研究团队同样利用了这把“基因魔剪”,将水稻中参与吸收镉离子的基因敲除了,获得了不吸收镉离子的水稻品种。这项技术的运用,为解决镉污染土地种植安全水稻提供了完美的解决方案。

    延伸阅读

    农作物育种走过的那些路

    自从人类开始通过种植农作物来养活自己,就从来没有停止过驯化改良各种农作物性状。但是自然突变的过程非常随机及缓慢,且并不是所有的突变都是有利的。因此,在近代以前,有利性状的筛选及积累是一个很漫长的过程。

    后来,在孟德尔遗传规律的指导下,育种家们开始进行杂交育种来培育新品种。杂交育种是将两个或多个品种的优良性状通过交配集中在一起,再经过选择和培育,培育出新的优良品种。通过杂交育种,育种家们选育出了大量优良的新品种,为粮食安全提供了有力保障。但是,杂交育种少则五六年,多则十几年才能获得,十分耗时耗力。同时,用传统育种方法可能无法实现对一些优异基因的利用,目前传统育种进入了缓慢发展的平台期。

    转基因技术的发展,为农作物育种提供了一种方向。一些有用的外源或内源基因的转化,可以大大加强农作物在抗虫、抗病、抗旱、增加产量、提高品质上的特性,且开发新转基因品种所耗的时间短,生产成本相对较低。虽然转基因技术在医学、食品加工和粮食生产等领域已经有广泛的应用,给疾病治疗和粮食安全带来了巨大的收益,但是部分公众认为外源基因的引入会带来不确定的风险,对转基因育种仍然存有一定的疑虑。

    如今,基因编辑技术的应用,为农作物育种注入了新的活力。由于基因编辑系统培育的品种不含有任何外源成分,有效避免了类似于转基因带来的不确定性。此外,基因编辑技术对基因的编辑是可控的、精准的。可以预见,基因编辑技术在作物育种上具有十分广阔的应用前景。

    科学有规范

    基因编辑技术育种如何监管?

    一直以来,转基因农作物受到非常严格的监管。

    那么,基因编辑技术育种,是否也要和转基因育种一样,受到同样的监管?由于基因编辑技术育种相对更安全,对此也存在一些不同看法。

    美国农业部于2016年4月批文,认定前文提到的基因编辑蘑菇、玉米不需要受传统转基因政策的监管,因此加快了基因编辑作物的上市速度,让美国本土公司获得了先发优势。

    2015年,瑞典农业委员会明确解释,某些由CRISPR引入的植物突变,并不符合欧盟对转基因的定义;德国称,使用比较古老的寡聚核苷酸法得到的基因编辑油菜,并不属于转基因生物,因为无法将它与常规突变得到的产品区分开来;阿根廷也认为,基因编辑作物并不属于转基因的监管范畴。

    目前,我国对基因编辑产品是否需要监管及如何监管尚未有政策出台,但业内认为应该以以下标准来区分:1. 仅有个别核苷酸序列发生插入或缺失造成的突变,应视同自然突变,无需监管,且也无法检测监管;2. 有小片段序列插入或替换的材料,应该以比较开放的态度倾向于不监管;3.有大片段序列插入,特别是外源基因序列的插入,需要慎重监管,以对待转基因材料的标准对待。




    (责任编辑:窦虹)

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