為了養(yǎng)活迅速增長(zhǎng)的人口，世界必須找到促進(jìn)糧食生產(chǎn)的方法。通過(guò)常規(guī)植物育種提高作物產(chǎn)量是低效的 - 結(jié)果是不可預(yù)測(cè)的，并且可能需要數(shù)年到數(shù)十年才能創(chuàng)造出新的菌株。另一方面，強(qiáng)大的轉(zhuǎn)基因植物技術(shù)可以快速產(chǎn)生新的植物品種，但它們的采用一直存在爭(zhēng)議。許多消費(fèi)者和國(guó)家拒絕轉(zhuǎn)基因食品，盡管廣泛的研究證明它們是安全的。

但是現(xiàn)在稱(chēng)為CRISPR的新基因組編輯技術(shù)可能提供了一個(gè)很好的選擇。

我是一個(gè)植物遺傳學(xué)家，我的首要任務(wù)之一是開(kāi)發(fā)工具來(lái)安排木質(zhì)植物如柑橘樹(shù)，可以抵御黃龍病，黃龍病(HLB)，它摧毀了世界各地的這些樹(shù)。該疾病于2005年首次在佛羅里達(dá)州檢測(cè)到，導(dǎo)致該州90億美元的柑橘產(chǎn)量大幅減產(chǎn)，導(dǎo)致其2017年橙子產(chǎn)量下降75%。由于柑橘樹(shù)生產(chǎn)水果需要5至10年，我們的新技術(shù)-已被許多主編提名為2017年具有改變世界潛力的開(kāi)創(chuàng)性方法之一 - 可能加速非轉(zhuǎn)基因柑橘樹(shù)的開(kāi)發(fā)這是HLB抗性的。

基因改造與基因編輯

你可能想知道為什么我們用新的DNA編輯技術(shù)創(chuàng)造的植物不被認(rèn)為是轉(zhuǎn)基因植物?這是一個(gè)很好的問(wèn)題。

轉(zhuǎn)基因是指以不會(huì)通過(guò)進(jìn)化自然產(chǎn)生的方式改變的植物和動(dòng)物。一個(gè)非常明顯的例子涉及將一個(gè)基因從一個(gè)物種轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物種，以賦予該生物體新的特性 - 如害蟲(chóng)抗性或耐旱性。

但在我們的工作中，我們并沒(méi)有將動(dòng)物或細(xì)菌的基因切割并粘附到植物中。我們正在使用基因組編輯技術(shù)通過(guò)直接重寫(xiě)植物的遺傳密碼來(lái)引入新的植物性狀。

這比傳統(tǒng)育種更快，更精確，比轉(zhuǎn)基因技術(shù)爭(zhēng)議少，并且可以減少為農(nóng)民開(kāi)發(fā)新作物品種所花費(fèi)的時(shí)間甚至數(shù)十年甚至數(shù)十年。

另外還有一種動(dòng)機(jī)可以選擇使用基因編輯來(lái)創(chuàng)造設(shè)計(jì)作物。2018年3月28日，美國(guó)農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)桑尼·珀杜(Sonny Perdue)宣布，美國(guó)農(nóng)業(yè)部不會(huì)對(duì)通過(guò)基因組編輯等新技術(shù)開(kāi)發(fā)的新植物品種進(jìn)行管理，這些新技術(shù)將產(chǎn)生與通過(guò)傳統(tǒng)育種方法開(kāi)發(fā)的植物難以區(qū)分的植物。相比之下，包含來(lái)自另一生物的基因(例如細(xì)菌)的植物被認(rèn)為是GMO。這是為什么許多研究人員和公司希望在可能的情況下在農(nóng)業(yè)中使用CRISPR的另一個(gè)原因。

改變植物藍(lán)圖

我們使用的基因編輯工具叫做CRISPR - 代表“Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats” - 并且改編自細(xì)菌的防御系統(tǒng)。這些細(xì)菌CRISPR系統(tǒng)已被修改，以便像我這樣的科學(xué)家可以編輯植物，動(dòng)物，人體細(xì)胞和微生物的DNA。該技術(shù)可用于多種方式，包括糾正導(dǎo)致疾病的人類(lèi)遺傳錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)用于疾病研究的動(dòng)物，以及創(chuàng)造可加速作物改良的新型遺傳變異。

為了使用CRISPR向作物植物引入有用的性狀，我們需要知道控制特定性狀的基因。例如，先前的研究表明，一種叫做赤霉素的天然植物激素對(duì)植物高度至關(guān)重要。GA20-ox基因控制植物中產(chǎn)生的赤霉素的量。例如，為了創(chuàng)造一種“低割草頻率”草坪草，我們正在編輯DNA - 改變構(gòu)成該植物基因的DNA序列 - 以減少所選草坪中GA20-ox基因的產(chǎn)量草。使用較低的赤霉素，草不會(huì)長(zhǎng)得高，不需要經(jīng)常割草。

CRISPR系統(tǒng)源自細(xì)菌。它由兩部分組成：Cas9，一種可以剪斷DNA的小蛋白質(zhì)，以及一種RNA分子，可作為編碼植物DNA中新特性的模板。

為了在植物中使用CRISPR，標(biāo)準(zhǔn)方法是將編碼CRISPR-Cas9“編輯機(jī)”的CRISPR基因插入植物細(xì)胞的DNA中。當(dāng)CRISPR-Cas9基因活躍時(shí)，它將定位并重寫(xiě)植物基因組的相關(guān)部分，從而產(chǎn)生新的性狀。

但這是一個(gè)捕獲22。因?yàn)橐肅RISPR / Cas9進(jìn)行DNA編輯，首先必須用外源CRISPR基因改造植物 - 這將使它成為GMO。

非轉(zhuǎn)基因作物的新戰(zhàn)略

對(duì)于玉米，水稻和番茄等一年生作物，它們?cè)谝荒陜?nèi)完成從發(fā)芽到種子生產(chǎn)的生命周期，可以很容易地從編輯的植物中消除CRISPR基因。那是因?yàn)檫@些植物產(chǎn)生的一些種子不攜帶CRISPR基因，只是新的特征。

但對(duì)于需要長(zhǎng)達(dá)10年才能達(dá)到花卉和種子生產(chǎn)階段的多年生作物而言，這個(gè)問(wèn)題要復(fù)雜得多。等待沒(méi)有CRISPR基因的種子需要很長(zhǎng)時(shí)間。

我在康涅狄格大學(xué)的團(tuán)隊(duì)和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，佛羅里達(dá)大學(xué)，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)和加州大學(xué)圣地亞哥分校的合作者最近開(kāi)發(fā)了一種方便的新技術(shù)，使用CRISPR可靠地創(chuàng)造了理想的產(chǎn)品。在沒(méi)有引入任何外來(lái)細(xì)菌基因的作物植物中的特征。

我們首先用CRIPSR基因改造了一種天然存在的土壤微生物，土壤桿菌。然后我們從植物中取出嫩葉或拍攝材料，將它們與培養(yǎng)皿中的細(xì)菌混合，讓它們一起孵育幾天。這使細(xì)菌有時(shí)間感染細(xì)胞并傳遞基因編輯機(jī)器，然后改變植物的遺傳密碼。

在一些農(nóng)桿菌感染的細(xì)胞中，土壤桿菌基本上作為特洛伊木馬，將所有編輯工具帶入細(xì)胞，而不是將植物設(shè)計(jì)為擁有自己的編輯機(jī)器。因?yàn)榧?xì)菌基因或CRISPR基因不會(huì)成為這些細(xì)胞中植物基因組的一部分 - 而只是做基因編輯工作 - 任何來(lái)自這些細(xì)胞的植物都不被認(rèn)為是轉(zhuǎn)基因生物。

幾天后，我們可以從編輯過(guò)的植物細(xì)胞中培育植物。然后需要幾周或幾個(gè)月的時(shí)間來(lái)種植可以在農(nóng)場(chǎng)種植的經(jīng)過(guò)編輯的植物。困難的部分是弄清楚哪些植物被成功修改。但我們也有解決這個(gè)問(wèn)題的方法，并開(kāi)發(fā)了一種方法，只需兩周時(shí)間即可識(shí)別已編輯的植物。

基因設(shè)計(jì)的草坪

編輯植物與人類(lèi)細(xì)胞之間的一個(gè)顯著差異在于我們并不關(guān)心編輯拼寫(xiě)錯(cuò)誤。在人類(lèi)中，這種錯(cuò)誤可能導(dǎo)致疾病，但植物中的脫靶突變并不是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。許多已發(fā)表的研究報(bào)告，與動(dòng)物系統(tǒng)相比，在植物中觀察到低至可忽略的脫靶活性。

此外，在將任何植物分配給農(nóng)民在其田地中種植之前，將仔細(xì)評(píng)估編輯過(guò)的植物在生長(zhǎng)和發(fā)育中的明顯缺陷或它們對(duì)干旱，極端溫度，疾病和昆蟲(chóng)攻擊的反應(yīng)。此外，編輯過(guò)的植物一旦被開(kāi)發(fā)出來(lái)的DNA測(cè)序就可以很容易地鑒定出任何顯著的不希望的脫靶突變。

除了柑橘，我們的技術(shù)應(yīng)適用于大多數(shù)多年生作物，如蘋(píng)果，甘蔗，葡萄，梨，香蕉，楊樹(shù)，松樹(shù)，桉樹(shù)和一些一年生作物，如草莓，馬鈴薯和甘薯，不經(jīng)使用而繁殖種子。

我們還看到基因組編輯技術(shù)在農(nóng)業(yè)，園藝和林業(yè)工業(yè)中使用的許多其他植物中的作用。例如，我們正在創(chuàng)造需要較少肥料和水的草坪草品種。我打賭你也會(huì)這樣。