从转基因到基因编辑,未来它们将是餐桌上必不可少的食物

发布: | 发布时间:2021-01-12,星期二 | 阅读:22

撰文 | 骁铭 责编 | 叶水送

过去的一年,基因编辑技术摘得诺奖,风头正劲,图片截自nationalgeographic.com

READING导读

“孟加拉或将成为全球首个批准种植转基因‘黄金水稻’的国家。”
 “阿根廷批准抗旱型转基因小麦,农业界担忧本国农产品出口受损。”
“大北农子公司产品获得农业转基因生物安全证书公示。” 
“农业部新批准进口5种农业转基因生物。”
“严令禁止生产、经营和使用非法转基因农作物种子。” 
“日本批准销售基因编辑西红柿,最早2022年上市。” ……


从转基因到基因编辑作物,这一条条新闻的背后,都在向我们预示着,在未来的某一天,转基因/基因编辑农作物将大有作为。

什么是转基因作物,为什么要对它们进行转基因?所谓转基因作物(Genetically Modified Crops),就是利用基因工程技术改变已有作物的遗传信息,从而得到更有利于农业生产的作物[1]。

在大多数情况下,目的是向作物中引入一种新的性状,如:对某些害虫、疾病、化学药剂(除草剂)、对恶劣环境(抗寒抗旱)的抵抗力等。

举一个简单的例子,庄稼在田间地头被害虫过度啃食,从而导致大幅减产,那就给庄稼加一段可以“抗虫”的基因来解决这个问题。

图a,玉米祖先大刍草(左)与经过几千年驯化后的玉米(右);图b,sub1a-1基因赋予了水稻抗涝性(被淹后恢复两周);图c-d,普通茄子(c)与Bt茄子(d);图e,野生型番茄的花与经Cas9靶向突变MULTIFLORA基因座后番茄的花,图源Nature Food

这里区别一个概念。以杂交水稻为例,杂交水稻是将两株具有不同优良性状的水稻进行杂交,以期获得同时具有不同优良性状的杂交种。虽然这类育种方式同样改变了水稻原有的遗传信息,但这种改变并不是通过基因工程技术进行基因插入或替换的,换言之杂交水稻获得的优良基因仍来自于水稻,并不产生新基因。

这种杂交选育与转基因育种存在本质上的区别。杂交选育需要经历漫长的时间,改善的性状到底是一个还是一群,只有等第二年的庄稼长出来才知道;杂种后代还会出现性状分离的现象,如果以杂种后代作为种子继续种植,优势性状就会逐渐消失,因此每年都要制作一批高产的种子。而转基因育种一般不需要经历很长时间,通过基因工程技术人为添加有利基因或删除有害基因,即可获得可稳定遗传的突变株,经过人为更改的基因一般不会发生变化。

因此,转基因作物的历史虽不悠久,但成果却不胜枚举。

01
那些转基因农作物们

1983年,第一个通过基因工程改造的农作物问世,它是由携带质粒的根瘤农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)直接感染烟草,随后选择一个包含该嵌合基因的烟草细胞,并通过组织培养技术将其培养为一个全新植株[2]。

世界上第一个进行商业种植的转基因作物:Flavr Savr番茄,很难发现其与正常番茄的区别,图源ucanr.edu

目前,所公认的第一种获得消费许可的商业种植的转基因作物是加尔金(Calgene)公司于1994年发布的番茄。正常的番茄中会分泌β-多聚半乳糖醛酸酶(β-polygalacturonase),这种酶可以降解细胞壁中的成分,从而使番茄变软。因此该公司在正常的番茄中引入了该基因的的反义基因,以降低它的表达量,从而使番茄在采摘之后保鲜时效更长久。后来有学者质疑其中加入的编码卡那霉素抗性的基因可能对人体有潜在威胁,再加上公司业务能力的不足,最终该番茄在上市仅四年后就停产了[3]。

从产品问世到批准种植再到获得FDA的商业化许可,这位“世界第一”番茄花费了7年时间。由此可见,转基因作物想获得“实现自身价值”的机会,需要经过长时间和严格的食品安全评估,这并不是一件轻而易举的事。

同年,欧盟批准了抗溴苯腈(一种除草剂)的转基因烟草上市,这是欧洲第一个获得商业化许可的转基因作物[4]。

1995年,在先后经过美国FDA与EPA(美国环境保护署)批准后,首个具有抗虫害功能的马铃薯品种横空出世。科学家向普通的马铃薯中导入了苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)的毒素基因,马铃薯甲虫幼虫一旦采食该转基因马铃薯,便会遭受致命打击,因此可以极大减少杀虫剂的使用。

值得一提的是,这种毒素对动物、鱼类均无毒副作用[5]。这款转基因马铃薯,来自孟山都公司(注:现已被德国拜耳公司收购)。在随后的几年里,该基因被转入其它作物中,均取得很好的抗虫效果。

由于该基因显著的抗虫效果,因此用Bt基因特指来自苏云金杆菌中编码毒素的抗虫基因。随后,该基因又被相继导入玉米、大豆、棉花等农作物中,形成相应的商业化转基因抗虫品种。转入Bt基因而获得抗虫性的作物品种一般会被称为Bt XX,如Bt玉米。

野生型(左)和转基因型(右)花生同时暴露于玉米螟幼虫,图源Wikipidia
电子显微镜下的苏云金芽孢杆菌:(a)营养细胞(b)芽孢(c)毒素晶体,图源Comprehensive Biotechnology (Third Edition)

随后,越来越多的转基因作物被批准用于商业化种植,这其中包括我们熟知的:烟草、棉花、大豆、玉米、油菜、番茄、马铃薯等,而转基因作物的新性状主要包括:抗除草剂、抗虫和复合性状(多种性状的结合)[6]。

常见的转基因农作物,图源Organic Lifestyle mag

02
转基因作物怎么转,转什么?

现在,如果我们想要通过基因工程的手段使农作物获得有利于农业生产的表型,相信各位从上文的讲述中都有了一定了解。

简要概括一下。我们需要得到某种基因,并将其固定在质粒载体上。将这个质粒载体转入作物的细胞,使该基因可以固定在作物的遗传信息中,并且该基因能够稳定表达,从而使作物获得相应的性状,那么理论上我们就已经获得了一株转基因作物。

如何实现作物转基因过程的示意图,图源leafexpressionsystems.com

但这些过程我们应该如何去实现,我们要通过什么方式将基因转进去,并且这些基因从何而来,我们该如何找到并获得调控我们所预期性状的基因?

03
基因转入植物细胞,其实没那么容易

与细菌这样的原核细胞和哺乳动物细胞这样的真核细胞不同,植物细胞的转化效率一直是作物改良的瓶颈[7]。这其中有几个因素,首先,植物细胞具有细胞壁,这是一道难以逾越的屏障;另外,植物细胞对外源DNA的吸收与其在基因组中发生整合具有明显的抵抗性;就算是这些都成功了,转化并整合成功的植物细胞也不是每一次都可以发育为一个完整植株的。

采用农杆菌携带外源基因并使其入侵植物细胞,农杆菌会将自身基因整合入植物宿主中。这是最早用于植物细胞转化的方式,并且沿用至今,但这种方法有一个致命的弱点,它只能用于转化较为敏感的植物细胞。

使用农杆菌转化的茄子。图源:Wikipedia。

农杆菌转染不成功,该如何是好?不妨试试基因枪吧。

美国Bio-rad公司生产的手持基因枪(左)与台式基因枪(右)。图源:www.bio-rad.com。

基因枪可将目标基因或其它生物分子“发射”入植物细胞中,转化过程简单快捷。其中最常用的一种方法是,将DNA与钨或金的细小颗粒结合,然后在高压下被喷入植物组织或单个植物细胞中,其中被加速的粒子可穿透细胞壁和细胞膜。之后DNA可与金属离子分离,并整合入细胞核内的DNA中。该方法已成功用于栽培多种作物,尤其是单子叶植物如小麦和玉米等。该方法主要的缺点在于,由于轰击压力大,会损害细胞或组织[8]。

上述两种方法都可以使转基因成为可能,但从开始制备材料到最终转化植株恢复的过程都需要经过漫长的等待,该过程通常要持续几个月,且虽然成功实现了外源基因的转入,但都没绕过转化效率低这一关键性问题[9-10]。

04
基因编辑技术同转基因有哪些不同?

上文所讲述的转基因方法,都是比较简单的,我们只需要找到可以赋予作物特殊性状的基因,在它的前面加上启动子,并导入质粒中转入作物细胞,使其整合在DNA中,但是这样一来,整合的位置我们便不得而知。那么,有没有一种方法,可以使这个过程,变得精准而优雅?

如上文中所说的,如果降低番茄中β-多聚半乳糖醛酸酶的表达量,就会使番茄的储存时间更久。那么如果想进行这样的基因操作,除了用表达反义RNA的方法来降低其表达量外,还可以通过特异性靶向该序列的核酸酶来直接对基因执行敲除或敲低的操作。

CRISPR技术应用于植物基因组编辑的模式图,图片来自Nature Food。

目前,使用最多的定点靶向核酸酶主要是CRISPR/Cas核酸酶。简单地讲,如果我们想用CRISPR/Cas核酸酶对作物执行基因编辑的话,只需要在我们选定的序列中的特定位点处选择一段序列,那么该序列就可以通过互补配对的方式准确定位在我们想要执行基因编辑的区域。将CRISPR/Cas系统转入植物细胞后,该序列会转录成一段小RNA(CRISPR RNA),并且牵引Cas蛋白到达目标序列,只听“咔嚓”一声,Cas蛋白就可以把目标序列剪断。再之后,想执行敲除、插入、敲低等一系列操作,只需要向其中导入对应的修复模板,整个过程就圆满完成啦!(是不是简单快捷?)

在这项技术出现之前,人们在赋予作物一个新性状时很少提及作物的生产性能,因为作物的产量是一个非常复杂的性状,它由植物结构、养分的获取和分配能力、遇到的病虫害与非生物胁迫等多种因素共同决定。基因编辑技术的出现赋予了科学家对多基因同时编辑的能力,因此允许对作物更多的性状进行改变。

在番茄、油菜和水稻中执行CRISPR系统介导的基因编辑后,分别改变了果实大小、花和叶片的数量、种子的产量、植株大小等表型,直接提高了作物产量[11-13]。

不仅如此,该方法在增强作物抗病性和提高作物品质方面都有不菲的贡献,在此不再举例。

从上述内容中我们可以看出,通过组学分析、对表型改变有贡献的基因,只要被成功鉴定,并且使用特异性靶向该序列的核酸酶对其进行基因编辑,我们就可以逐步获得我们期待的那个理想作物。

基因编辑和转基因有哪些差异?简单来讲,与基因编辑相比,转基因作物在原理上更为简单,因为只需要把外源基因转入作物中即可。但是这样的基因操作略显粗糙,我们无法决定外源基因插入的位置,并在引入目标基因的同时,可能还会引入一些多余的基因,而这些基因,可能会对人体造成潜在危害。

而基因编辑却可以实现对特定目标基因的定向改造。在确定我们想要进行基因编辑的位置后,通过序列设计,即可在该位点进行外源基因的插入、内源基因的删除、内源基因的沉默或激活、内源基因的定点突变与内源基因的甲基化修饰等一系列操作。不仅如此,还可以通过设计,同时对多个位点执行编辑。这项颠覆性技术的开发及应用,让我们能以前所未有的深度和广度实现对生物体的基因改造,精确把控目标编辑位点及改造的序列信息,从而避免其他不必要的基因突变或外源基因插入,极大地提高了基因改造的安全性,为人类社会的发展带来了新的机遇。

 目前,“基因编辑是国际育种界正在竞争的制高点”,中科院遗传发育所李家洋院士表示,“如果杂交育种是1.0版本,分子标记育种是2.0,转基因育种是3.0,那么基因(组)编辑育种就是4.0版本。”

“基因编辑育种可以打破传统育种的瓶颈,实现‘精准育种’、‘精准营养’。”中国科学院上海植物逆境生物学研究中心主任朱健康介绍,以单一食物可以满足人体基本营养需求的藜麦为例,预计今后几年内能够培育出亩产千斤的品种。

参考文献 

[1] 王灿.转基因作物的安全性研究[J].现代农村科技,2011(21):74-75.

[2] Lemaux Peggy G.. Genetically Engineered Plants and Foods: A Scientist’s Analysis of the Issues (Part I). 2008, 59:771-812.

[3] Bruening, G. and Lyons, J.M. (2000) The Case of the FLAVR SAVR tomato. California Agriculture, 54, 6-7.

[4] https://www.newscientist.com/article/mg14219301-100-transgenic-tobacco-is-european-first/?ignored=irrelevant

[5] https://news.google.com/newspapers?id=A0YyAAAAIBAJ&pg=4631,1776980&dq=bacillus+thuringiensis+potato+1996+approved&hl

[6] 于滔,曹士亮,张建国,曾兴,任洪雷,王成波,李文跃,李昕,曹靖生.全球转基因作物商业化种植概况(1996-2018年)[J].中国种业,2020(01):13-16.

[7] Altpeter Fredy, Springer Nathan M, Bartley Laura E, et al. Advancing Crop Transformation in the Era of Genome Editing.. 2016, 28(7):1510-20.

[8] Svitashev Sergei, Schwartz Christine, Lenderts Brian, et al. Genome editing in maize directed by CRISPR-Cas9 ribonucleoprotein complexes.. 2016, 7:13274.

[9] Lowe Keith, Wu Emily, Wang Ning, et al. Morphogenic Regulators Baby boom and Wuschel Improve Monocot Transformation.. 2016,

[10] Michael F. Maher, Ryan A. Nasti, Macy Vollbrecht, et al. Plant gene editing through de novo induction of meristems. 2020, 38(1):84-89.

[11] Daniel Rodríguez-Leal, Zachary H. Lemmon, Jarrett Man, et al. Engineering Quantitative Trait Variation for Crop Improvement by Genome Editing. 2017, 171(2):470-480.e8.

[12] Yang Yang, Kaiyu Zhu, Huailin Li, et al. Precise editing of CLAVATA genes in Brassica napus L. regulates multilocular silique development. 2018, 16(7):1322-1335.

[13] Miao Chunbo, Xiao Lihong, Hua Kai, et al. Mutations in a subfamily of abscisic acid receptor genes promote rice growth and productivity.. 2018, 115(23):6058-6063.


来源:赛先生



 

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