作物

　　3月28日，美國農業(yè)部部長Sonny Perdue在一項聲明中說，一些基因編輯的作物將不受監(jiān)管。2016年以來，美農業(yè)部就放行了一些基因編輯的作物，這次表態(tài)可以說進一步確認立場。

　　對基因工程包括轉基因的監(jiān)管，美國大體針對產品而非技術。這一策略保證了其農業(yè)的全球領先地位。目前看，在基因編輯技術為作物育種帶來革命性變化的今天，美國將繼續(xù)引領世界；相較之下，歐洲和中國已然落后。

　　廣譜抗白粉病小麥：中國學者變不可能為可能

　　2014年7月，中科院遺傳所高彩霞和微生物所邱金龍課題組合作的研究發(fā)表在Nature Biotechnology上。他們創(chuàng)制了一種新型的小麥品種廣譜抗白粉病小麥，對白粉病具有廣譜和持久的抗性。說來也簡單，他們只是在小麥基因組的170億個堿基中*地刪除了某幾個。這在以前是沒辦法做到的。

　　“小麥是六倍體（AABBDD），在普通小麥A、B、D基因組上MLO基因各有一個拷貝，我們利用基因組編輯技術*對這三個拷貝同時進行了突變，獲得了對白粉病有廣譜抗性的小麥。”邱金龍說。

　　通過這一實驗，他們還明白了為什么小麥不會通過天然突變獲得和大麥一樣的廣譜抗性。在實驗中，他們獲得了35個MLO基因的突變體，有單拷貝、雙拷貝，也有三拷貝的突變。他們將這些突變體進一步自交，獲得了MLO基因不同組合的純合突變體后代（aa, bb, dd, aabb, aadd, bbdd, aabbdd），才發(fā)現(xiàn)只有aabbdd，也就是MLO基因在小麥A、B和D基因組上的三個拷貝同時突變的植株才有廣譜抗性。

　　“大麥是二倍體，小麥是六倍體，每個基因組有三個拷貝，就有六個等位基因。自然狀態(tài)下，六個等位基因同時突變的幾率幾乎是零，這就是為什么不存在天然突變的MLO廣譜抗白粉病的小麥。”邱金龍說。

　　業(yè)內稱基因編輯為“類天然突變”

　　基因編輯技術得益于幾種核酸酶的設計與使用。這些核酸酶的共同特點是，它們可以在你想要的DNA位點處產生雙鏈斷裂，可以理解為“指哪打哪”。隨后，細胞內的固有修復機制被激活，對損傷處產生有效的基因修改。

　　細胞內對DNA雙鏈斷裂的修復有兩條途徑：一種叫非同源末端連接，簡稱NHEJ；另一種叫同源重組，簡稱HR。相比較，NHEJ是主要的修復機制，通常帶來的是少量堿基的丟失，很少情況下也會有堿基插入。NHEJ實現(xiàn)起來相對簡單，成為研究基因功能的良好手段。

　　基因敲除后的突變體，只是缺失了幾個堿基，和自然突變以及用化學試劑、X-射線等人工誘變產生的突變體沒有區(qū)別。“這也給檢測帶來了困難，因為二者很難做出區(qū)分。”清華大學教授謝震說。

　　對于上述基因敲除的蘑菇、玉米，美國農業(yè)部已經表示不在其監(jiān)管范圍之內。

　　“我們把它們稱之為類天然突變。”邱金龍說。實際上，不僅*終產品與常規(guī)育種類似，運用基因編輯技術還更*、簡單、直接；而傳統(tǒng)的雜交往往導致基因組大片段的交換，即使是誘變育種也導致隨機的幾千個突變，需要大規(guī)模的后代篩選，費時費力。

　　不僅產品，過程亦不涉及轉基因。

　　當然，細究廣譜抗白粉病小麥的創(chuàng)制過程也并非“無懈可擊”。核酸酶是蛋白，如果該蛋白的編碼DNA，或者連同攜帶這段DNA的質粒導入了植物細胞，隨機整合進入植物的染色體中，那也是有外源DNA的插入了。

　　一個解決辦法是，在核酸酶表達和植物生成之后，進一步篩選把含有重組DNA的植物去除。能做到這點緣于起初設計的兩個位點并不挨在一起。這兩個位點，一個是插入核酸酶的編碼DNA的位點，另外一個是核酸酶的作用位點。這兩個位點離得較遠，即使核酸酶的編碼DNA整合到了植物的染色體中，之后也可以通過回交分離，留下僅攜帶期望的DNA序列改變的植株后代。

　　雜交篩選的過程費時費力，而且核酸酶的DNA的穩(wěn)定表達會增加脫靶以及嵌合體發(fā)生的概率。脫靶和核酸酶的特異性相關，指的是由于某些DNA片段的相似，核酸酶“不小心”把類似的位點也切割了。好在基因編輯技術的快速發(fā)展已經可以實現(xiàn)所謂的“瞬時表達”，克服了這些缺點。

　　*種方式，使用農桿菌、基因槍或原生質體轉化將核酸酶的編碼DNA或RNA傳遞至植物細胞。當將核酸酶的編碼DNA構建體運送至細胞時，“瞬時表達”常常產生。在表達完核酸酶之后，DNA構建體迅速降解，沒有機會整合入植物基因組。

　　例如2016年8月，高彩霞研究組通過CRISPR/Cas9 DNA或RNA“瞬時表達”，對六倍體小麥及四倍體小麥的7個不同基因進行了定點敲除，直接得到了不含外源基因的小麥純合敲除突變體，而且沒有檢測到脫靶效應。“這就是瞬時起的作用，就相當于揮舞大刀砍人，砍到了敵人，但也傷到了朋友，砍敵人時間越長，傷到朋友的概率就更大。所以，‘瞬時表達’就會降低脫靶，也表明準確性更高。”邱金龍說。

　　不過，CRISPR/Cas9 DNA進入細胞后，也有可能把降解后的小DNA片段整合到植物的基因組中，如何從根本上杜絕DNA或RNA進入細胞呢？

　　升級后的方法就是把核酸酶以蛋白質的形態(tài)直接運送至植物細胞。目前，通過基因槍直接將在體外組裝成的核糖核蛋白復合體（由Cas9蛋白和引導RNA組成）運送到玉米的胚胎中，并生成了不含轉基因的玉米。高彩霞團隊也用了類似方法，生成的小麥不僅從*終產品上無外源DNA，而且在整個過程無外源DNA。

　　同樣強大的還有目前快速發(fā)展的堿基編輯技術。“還有一些表觀遺傳修飾的技術，DNA序列根本沒有改變，但也會產生新的性狀。”謝震說。當然，表觀遺傳修飾技術，如RdDM，產生的植物是否可以稱為突變體也值得商榷，因為核苷酸序列并沒有發(fā)生任何的改變。

　　總之，基因編輯技術的發(fā)展已經不僅可以獲得無轉基因的植物，而且全程都不涉及轉基因。

　　學者：監(jiān)管應評估*終產品而非過程

　　另外一種修復途徑HR會復雜些。HR通過基因替代或者插入來實現(xiàn)*的基因編輯，需引入與斷裂處原序列類似的DNA修復模版。該模版通過同源重組拷貝到染色體處，達到修復目的。

　　HR潛力巨大。不僅是添加基因，HR也可以通過改變基因編碼區(qū)的關鍵氨基酸殘基，或者改變啟動子或控制基因表達的其他順式作用元件獲得新的性狀。

　　堿基的插入和替換有可能觸發(fā)監(jiān)管。不過，若與傳統(tǒng)的雜交育種相比，如果是將自然界中已經存在的可雜交物種中的同源基因定向導入，則沒有理由不接受——因為，原則上講，這樣的作物用雜交育種也能做到，只不過更加耗時。更為棘手的是，沒有辦法可以在這兩種方法創(chuàng)制的產品之間做出區(qū)分。*的不同是，傳統(tǒng)雜交耗時、準確性低，經常連帶將附近的一大段DNA也引入了進去，可能有副作用。

　　那么，如果通過HR導入的是可雜交的物種的同源基因，不是不可雜交的物種的外源DNA，是否可以獲得豁免呢？另外，到底多大數量的堿基改變才觸發(fā)監(jiān)管呢？這些問題懸而未決。

　　不過，在一些專家看來，考慮技術實現(xiàn)過程中是否涉及到轉基因，思路本質上就是錯誤的。2016年，美國競爭性企業(yè)研究所的Gregory Conko和另外三位學者強調，監(jiān)管必須集中在實際的風險，而風險只是由經過修飾的*終產品所帶來的，與所使用的方法毫無關系。對*終產品進行評估而不是對創(chuàng)制產品的過程進行監(jiān)管代表了科學界的主流意見。

　　生在中國，卻長在美國的試驗田里。

　　2009年，當邱金龍從歐洲回到中國，準備用新出現(xiàn)的基因編輯技術TALEN來創(chuàng)制對白粉病有廣譜抗性的小麥時，他的合作者高彩霞也從歐洲回國。

　　“在歐洲，我們去介紹的時候，科研人員還不習慣使用這一新技術，歐洲相對比較保守。在中國，我們的植物基因組編輯研究在國際上還是領先的，并且得到了快速廣泛的應用。”邱金龍說。歐洲對轉基因的保守，已經導致其產品開發(fā)和產業(yè)的落后。

　　Gregory Conko等人認為，美國對待基因工程技術的態(tài)度相對要寬松。美國食藥監(jiān)局集中評價產品。美國環(huán)保署集中考慮抗蟲特性。美國農業(yè)部發(fā)明了“植物害蟲”（Plant pest）一詞，關注在基因工程作物的創(chuàng)制過程中是否用到植物病原體。對于新興的植物編輯技術，目前，白宮命令農業(yè)部、食藥局、環(huán)保署更新其監(jiān)管的協(xié)調框架來應對，廣泛收集民眾的意見。

　　傳統(tǒng)育種已經無法滿足不斷增長的食物需求和氣候變化等挑戰(zhàn)。如果還是通過發(fā)現(xiàn)自然的變異后雜交育種，甚至加上60年前發(fā)展的誘變育種，作物改良也將不可持續(xù)。“傳統(tǒng)的雜交育種，假設很幸運能找到一個抗病植株，但一般它產量不高，那就需要和產量高的進行雜交，雜交后還要經過多代的優(yōu)化分離，一般要至少十年以上。”邱金龍說。

　　然而，歐洲的科學家Maria Lusser等人曾指出，不利的監(jiān)管環(huán)境導致的高成本（每轉基因事件3500萬美元）和費時（需要5.5年才能完成），使得只有一些高利潤的作物獲得大規(guī)模種植，如棉花、大豆和玉米；一些冷門的作物比如蔬菜和園藝品種則無人問津。

　　“我覺得基因編輯如果法規(guī)足夠寬松，不需要大公司去做，很利于中國的小公司去創(chuàng)新。我們給科學院寫過材料，用了一個很俗的名詞，說可以實現(xiàn)中國育種產業(yè)的彎道超車；中國有2000多家種子公司，大都是小公司，沒法和國外的跨國公司競爭。”邱金龍說。

　　在植物育種領域，我們正站在一個變革的十字路口，也許是一場雙重的范式轉換：一方面，潛力巨大的植物編輯技術正在革新行業(yè)面貌；另一方面，以過程為基礎的監(jiān)管策略已經不合時宜。

　　中國將如何應對？我們只能從一些學術會議上聽到只言片語的“建議”，即使是這個領域的科學家，也小心謹慎。而誕生于中國實驗室的廣譜抗白粉病小麥，因無需受到轉基因的監(jiān)管，正茁壯地生長在美國的試驗田里。

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