科技 新浪科技 從轉基因到基因編輯,未來它們將是餐桌上必不可少的食物

從轉基因到基因編輯,未來它們將是餐桌上必不可少的食物

  來源:賽先生

過去的一年,基因編輯技術摘得諾獎,風頭正勁,圖片截自nationalgeographic.com過去的一年,基因編輯技術摘得諾獎,風頭正勁,圖片截自nationalgeographic.com

  「孟加拉或將成為全球首個批准種植轉基因『黃金水稻』的國家。」

  「阿根廷批准抗旱型轉基因小麥,農業界擔憂本國農產品出口受損。」

  「大北農子公司產品獲得農業轉基因生物安全證書公示。」

  「農業部新批准進口5種農業轉基因生物。」

  「嚴令禁止生產、經營和使用非法轉基因農作物種子。」

  「日本批准銷售基因編輯西紅柿,最早2022年上市。」

   撰文 | 驍    銘

   責編 | 葉水送

  從轉基因到基因編輯作物,這一條條新聞的背後,都在向我們預示著,在未來的某一天,轉基因/基因編輯農作物將大有作為。

  什麼是轉基因作物,為什麼要對它們進行轉基因?所謂轉基因作物(Genetically Modified Crops),就是利用基因工程技術改變已有作物的遺傳信息,從而得到更有利於農業生產的作物[1]。

  在大多數情況下,目的是向作物中引入一種新的性狀,如:對某些害蟲、疾病、化學藥劑(除草劑)、對惡劣環境(抗寒抗旱)的抵抗力等。

  舉一個簡單的例子,莊稼在田間地頭被害蟲過度啃食,從而導致大幅減產,那就給莊稼加一段可以「抗蟲」的基因來解決這個問題。

圖a,玉米祖先大芻草(左)與經過幾千年馴化后的玉米(右);圖b,sub1a-1基因賦予了水稻抗澇性(被淹后恢復兩周);圖c-d,普通茄子(c)與Bt茄子(d);圖e,野生型番茄的花與經Cas9靶向突變MULTIFLORA基因座后番茄的花,圖源Nature Food圖a,玉米祖先大芻草(左)與經過幾千年馴化后的玉米(右);圖b,sub1a-1基因賦予了水稻抗澇性(被淹后恢復兩周);圖c-d,普通茄子(c)與Bt茄子(d);圖e,野生型番茄的花與經Cas9靶向突變MULTIFLORA基因座后番茄的花,圖源Nature Food

  這裏區別一個概念。以雜交水稻為例,雜交水稻是將兩株具有不同優良性狀的水稻進行雜交,以期獲得同時具有不同優良性狀的雜交種。雖然這類育種方式同樣改變了水稻原有的遺傳信息,但這種改變並不是通過基因工程技術進行基因插入或替換的,換言之雜交水稻獲得的優良基因仍來自於水稻,並不產生新基因。

  這種雜交選育與轉基因育種存在本質上的區別。雜交選育需要經歷漫長的時間,改善的性狀到底是一個還是一群,只有等第二年的莊稼長出來才知道;雜種後代還會出現性狀分離的現象,如果以雜種後代作為種子繼續種植,優勢性狀就會逐漸消失,因此每年都要製作一批高產的種子。而轉基因育種一般不需要經歷很長時間,通過基因工程技術人為添加有利基因或刪除有害基因,即可獲得可穩定遺傳的突變株,經過人為更改的基因一般不會發生變化。

  因此,轉基因作物的歷史雖不悠久,但成果卻不勝枚舉。

   那些轉基因農作物們

  1983年,第一個通過基因工程改造的農作物問世,它是由攜帶質粒的根瘤農桿菌( Agrobacterium tumefaciens)直接感染煙草,隨後選擇一個包含該嵌合基因的煙草細胞,並通過組織培養技術將其培養為一個全新植株[2]。

世界上第一個進行商業種植的轉基因作物:Flavr Savr番茄,很難發現其與正常番茄的區別,圖源ucanr.edu世界上第一個進行商業種植的轉基因作物:Flavr Savr番茄,很難發現其與正常番茄的區別,圖源ucanr.edu

  目前,所公認的第一種獲得消費許可的商業種植的轉基因作物是加爾金(Calgene)公司於1994年發布的番茄。正常的番茄中會分泌β-多聚半乳糖醛酸酶(β-polygalacturonase),這種酶可以降解細胞壁中的成分,從而使番茄變軟。因此該公司在正常的番茄中引入了該基因的的反義基因,以降低它的表達量,從而使番茄在採摘之後保鮮時效更長久。後來有學者質疑其中加入的編碼卡那黴素抗性的基因可能對人體有潛在威脅,再加上公司業務能力的不足,最終該番茄在上市僅四年後就停產了[3]。

  從產品問世到批准種植再到獲得FDA的商業化許可,這位「世界第一」番茄花費了7年時間。由此可見,轉基因作物想獲得「實現自身價值」的機會,需要經過長時間和嚴格的食品安全評估,這並不是一件輕而易舉的事。

  同年,歐盟批准了抗溴苯腈(一種除草劑)的轉基因煙草上市,這是歐洲第一個獲得商業化許可的轉基因作物[4]。

  1995年,在先後經過美國FDA與EPA(美國環境保護署)批准后,首個具有抗蟲害功能的馬鈴薯品種橫空出世。科學家向普通的馬鈴薯中導入了蘇雲金芽孢桿菌(Bacillus thuringiensis)的毒素基因,馬鈴薯甲蟲幼蟲一旦採食該轉基因馬鈴薯,便會遭受致命打擊,因此可以極大減少殺蟲劑的使用。

  值得一提的是,這種毒素對動物、魚類均無毒副作用[5]。這款轉基因馬鈴薯,來自孟山都公司(注:現已被德國拜耳公司收購)。在隨後的幾年裡,該基因被轉入其它作物中,均取得很好的抗蟲效果。

  由於該基因顯著的抗蟲效果,因此用Bt基因特指來自蘇雲金桿菌中編碼毒素的抗蟲基因。隨後,該基因又被相繼導入玉米、大豆、棉花等農作物中,形成相應的商業化轉基因抗蟲品種。轉入Bt基因而獲得抗蟲性的作物品種一般會被稱為Bt XX,如Bt玉米。

野生型(左)和轉基因型(右)花生同時暴露于玉米螟幼蟲,圖源Wikipidia野生型(左)和轉基因型(右)花生同時暴露于玉米螟幼蟲,圖源Wikipidia
電子顯微鏡下的蘇雲金芽孢桿菌:(a)營養細胞(b)芽孢(c)毒素晶體,圖源Comprehensive Biotechnology (Third Edition)電子顯微鏡下的蘇雲金芽孢桿菌:(a)營養細胞(b)芽孢(c)毒素晶體,圖源Comprehensive Biotechnology (Third Edition)

  隨後,越來越多的轉基因作物被批准用於商業化種植,這其中包括我們熟知的:煙草、棉花、大豆、玉米、油菜、番茄、馬鈴薯等,而轉基因作物的新性狀主要包括:抗除草劑、抗蟲和複合性狀(多種性狀的結合)[6]。

常見的轉基因農作物,圖源Organic Lifestyle mag常見的轉基因農作物,圖源Organic Lifestyle mag

   轉基因作物怎麼轉,轉什麼?

  現在,如果我們想要通過基因工程的手段使農作物獲得有利於農業生產的表型,相信各位從上文的講述中都有了一定了解。

  簡要概括一下。我們需要得到某種基因,並將其固定在質粒載體上。將這個質粒載體轉入作物的細胞,使該基因可以固定在作物的遺傳信息中,並且該基因能夠穩定表達,從而使作物獲得相應的性狀,那麼理論上我們就已經獲得了一株轉基因作物。

如何實現作物轉基因過程的示意圖,圖源leafexpressionsystems.com如何實現作物轉基因過程的示意圖,圖源leafexpressionsystems.com

  但這些過程我們應該如何去實現,我們要通過什麼方式將基因轉進去,並且這些基因從何而來,我們該如何找到並獲得調控我們所預期性狀的基因?

   基因轉入植物細胞,其實沒那麼容易

  與細菌這樣的原核細胞和哺乳動物細胞這樣的真核細胞不同,植物細胞的轉化效率一直是作物改良的瓶頸[7]。這其中有幾個因素,首先,植物細胞具有細胞壁,這是一道難以逾越的屏障;另外,植物細胞對外源DNA的吸收與其在基因組中發生整合具有明顯的抵抗性;就算是這些都成功了,轉化並整合成功的植物細胞也不是每一次都可以發育為一個完整植株的。

  採用農桿菌攜帶外源基因並使其入侵植物細胞,農桿菌會將自身基因整合入植物宿主中。這是最早用於植物細胞轉化的方式,並且沿用至今,但這種方法有一個致命的弱點,它只能用於轉化較為敏感的植物細胞。

 使用農桿菌轉化的茄子。圖源:Wikipedia。 使用農桿菌轉化的茄子。圖源:Wikipedia。

  農桿菌轉染不成功,該如何是好?不妨試試基因槍吧。

美國Bio-rad公司生產的手持基因槍(左)與台式基因槍(右)。圖源:www.bio-rad.com。美國Bio-rad公司生產的手持基因槍(左)與台式基因槍(右)。圖源:www.bio-rad.com。

  基因槍可將目標基因或其它生物分子「發射」入植物細胞中,轉化過程簡單快捷。其中最常用的一種方法是,將DNA與鎢或金的細小顆粒結合,然後在高壓下被噴入植物組織或單個植物細胞中,其中被加速的粒子可穿透細胞壁和細胞膜。之後DNA可與金屬離子分離,並整合入細胞核內的DNA中。該方法已成功用於栽培多種作物,尤其是單子葉植物如小麥和玉米等。該方法主要的缺點在於,由於轟擊壓力大,會損害細胞或組織[8]。

  上述兩種方法都可以使轉基因成為可能,但從開始製備材料到最終轉化植株恢復的過程都需要經過漫長的等待,該過程通常要持續幾個月,且雖然成功實現了外源基因的轉入,但都沒繞過轉化效率低這一關鍵性問題[9-10]。

   基因編輯技術同轉基因有哪些不同?

  上文所講述的轉基因方法,都是比較簡單的,我們只需要找到可以賦予作物特殊性狀的基因,在它的前面加上啟動子,並導入質粒中轉入作物細胞,使其整合在DNA中,但是這樣一來,整合的位置我們便不得而知。那麼,有沒有一種方法,可以使這個過程,變得精準而優雅?

  如上文中所說的,如果降低番茄中β-多聚半乳糖醛酸酶的表達量,就會使番茄的儲存時間更久。那麼如果想進行這樣的基因操作,除了用表達反義RNA的方法來降低其表達量外,還可以通過特異性靶向該序列的核酸酶來直接對基因執行敲除或敲低的操作。

CRISPR技術應用於植物基因組編輯的模式圖,圖片來自Nature Food。CRISPR技術應用於植物基因組編輯的模式圖,圖片來自Nature Food。

  目前,使用最多的定點靶向核酸酶主要是CRISPR/Cas核酸酶。簡單地講,如果我們想用CRISPR/Cas核酸酶對作物執行基因編輯的話,只需要在我們選定的序列中的特定位點處選擇一段序列,那麼該序列就可以通過互補配對的方式準確定位在我們想要執行基因編輯的區域。將CRISPR/Cas系統轉入植物細胞后,該序列會轉錄成一段小RNA(CRISPR RNA),並且牽引Cas蛋白到達目標序列,只聽「咔嚓」一聲,Cas蛋白就可以把目標序列剪斷。再之後,想執行敲除、插入、敲低等一系列操作,只需要向其中導入對應的修復模板,整個過程就圓滿完成啦!(是不是簡單快捷?)

  在這項技術出現之前,人們在賦予作物一個新性狀時很少提及作物的生產性能,因為作物的產量是一個非常複雜的性狀,它由植物結構、養分的獲取和分配能力、遇到的病蟲害與非生物脅迫等多種因素共同決定。基因編輯技術的出現賦予了科學家對多基因同時編輯的能力,因此允許對作物更多的性狀進行改變。

  在番茄、油菜和水稻中執行CRISPR系統介導的基因編輯后,分別改變了果實大小、花和葉片的數量、種子的產量、植株大小等表型,直接提高了作物產量[11-13]。

  不僅如此,該方法在增強作物抗病性和提高作物品質方面都有不菲的貢獻,在此不再舉例。

  從上述內容中我們可以看出,通過組學分析、對錶型改變有貢獻的基因,只要被成功鑒定,並且使用特異性靶向該序列的核酸酶對其進行基因編輯,我們就可以逐步獲得我們期待的那個理想作物。

  基因編輯和轉基因有哪些差異?簡單來講,與基因編輯相比,轉基因作物在原理上更為簡單,因為只需要把外源基因轉入作物中即可。但是這樣的基因操作略顯粗糙,我們無法決定外源基因插入的位置,並在引入目標基因的同時,可能還會引入一些多餘的基因,而這些基因,可能會對人體造成潛在危害。

  而基因編輯卻可以實現對特定目標基因的定向改造。在確定我們想要進行基因編輯的位置后,通過序列設計,即可在該位點進行外源基因的插入、內源基因的刪除、內源基因的沉默或激活、內源基因的定點突變與內源基因的甲基化修飾等一系列操作。不僅如此,還可以通過設計,同時對多個位點執行編輯。這項顛覆性技術的開發及應用,讓我們能以前所未有的深度和廣度實現對生物體的基因改造,精確把控目標編輯位點及改造的序列信息,從而避免其他不必要的基因突變或外源基因插入,極大地提高了基因改造的安全性,為人類社會的發展帶來了新的機遇。

  目前,「基因編輯是國際育種界正在競爭的制高點」,中科院遺傳發育所李家洋院士表示,「如果雜交育種是1.0版本,分子標記育種是2.0,轉基因育種是3.0,那麼基因(組)編輯育種就是4.0版本。」

  「基因編輯育種可以打破傳統育種的瓶頸,實現『精準育種』、『精準營養』。」中國科學院上海植物逆境生物學研究中心主任朱健康介紹,以單一食物可以滿足人體基本營養需求的藜麥為例,預計今後幾年內能夠培育出畝產千斤的品種。