養(yǎng)活迅速增長(zhǎng)的人口,它是至關(guān)重要的,世界找出提高糧食生產(chǎn)的方法。通過(guò)傳統(tǒng)的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,它可能需要幾年到幾十年創(chuàng)建一個(gè)新的壓力。另一方面,強(qiáng)大的轉(zhuǎn)基因植物技術(shù)可以迅速產(chǎn)生新的植物品種,但其采用一直存在爭(zhēng)議。許多消費(fèi)者和國(guó)家拒絕轉(zhuǎn)基因食品雖然廣泛的研究消費(fèi)已經(jīng)證明了他們是安全的。

但現(xiàn)在有一個(gè)新的基因組編輯技術(shù)稱為CRISPR可能提供一個(gè)不錯(cuò)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)工程師伍迪的工具植物如柑橘樹(shù),可以抵抗疾病綠化,Huanglongbing(HLB),摧毀了世界各地的這些樹(shù)。在2005年首先發(fā)現(xiàn)在佛羅里達(dá)州,已經(jīng)摧毀了國(guó)家的疾病90億美元柑橘作物,導(dǎo)致下降75%在2017年的橙色生產(chǎn)。因?yàn)楦涕贅?shù)需要5到10年之前生產(chǎn)的水果,我們的新技術(shù)——已經(jīng)被許多總編的提名2017年開(kāi)創(chuàng)性的方法這有可能改變世界——可能會(huì)加速非轉(zhuǎn)基因的發(fā)展柑橘樹(shù)HLB-resistant。

轉(zhuǎn)基因和基因編輯

你可能想知道為什么我們創(chuàng)建的工廠與我們的新DNA編輯技術(shù)不被認(rèn)為是轉(zhuǎn)基因?這是一個(gè)好問(wèn)題。

轉(zhuǎn)基因是指植物和動(dòng)物已經(jīng)改變,不會(huì)出現(xiàn)自然通過(guò)進(jìn)化。一個(gè)非常明顯的例子包括基因從一個(gè)物種轉(zhuǎn)移到另一個(gè)賦予生物的新特征——像害蟲(chóng)抗性或耐旱。

但在我們的工作,我們沒(méi)有剪切和粘貼來(lái)自動(dòng)物或細(xì)菌的基因?yàn)橹参?。我們使用基因組編輯技術(shù)引入新的植物性狀通過(guò)直接重寫(xiě)植物的遺傳密碼。這是更快和更精確的比傳統(tǒng)育種,不如GMO技術(shù),有爭(zhēng)議的,可以大幅度提高幾年甚至幾十年的時(shí)間為農(nóng)民開(kāi)發(fā)新的作物品種。

還有另外一個(gè)動(dòng)機(jī)選擇使用基因編輯創(chuàng)建設(shè)計(jì)師作物。在2018年3月28日,美國(guó)農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)Sonny Perdue宣布美國(guó)農(nóng)業(yè)部植物新品種不規(guī)范發(fā)展與基因組編輯等新技術(shù)將產(chǎn)生植物區(qū)別那些通過(guò)傳統(tǒng)育種方法培育的。相比之下,植物,包括基因或基因從另一個(gè)生物,如細(xì)菌,被認(rèn)為是轉(zhuǎn)基因。這是許多研究人員和公司的另一個(gè)原因喜歡使用農(nóng)業(yè)CRISPR每當(dāng)它是可能的。

改變植物的藍(lán)圖

我們使用的基因編輯工具叫做CRISPR——代表“經(jīng)常聚集空間短回文的重復(fù)序列”——改編自細(xì)菌的防御系統(tǒng)。這些細(xì)菌CRISPR系統(tǒng)被修改,因此科學(xué)家像我這樣可以編輯的DNA植物、動(dòng)物、人體細(xì)胞和微生物。這項(xiàng)技術(shù)可以用在很多方面,包括正確的基因錯(cuò)誤導(dǎo)致疾病,在人類疾病研究,工程師動(dòng)物飼養(yǎng)和創(chuàng)造新穎的遺傳變異,能加速作物改良。

使用CRISPR糧食作物的引入一個(gè)有用的特征,我們需要知道的基因控制一個(gè)特定的特征。例如,先前的研究表明,一種天然植物激素赤霉素對(duì)株高至關(guān)重要。GA20-ox基因控制的數(shù)量赤霉素生產(chǎn)的植物。創(chuàng)建一個(gè)“低頻率”割草坪草品種,例如,我們正在編輯的DNA - DNA序列的變化,這種植物的基因——減少的輸出GA20-ox基因選擇的草坪草。較低的赤霉素,小草不會(huì)成長(zhǎng)為高,不會(huì)需要經(jīng)常修剪。

CRISPR系統(tǒng)是來(lái)自細(xì)菌。它是由兩部分組成:Cas9,蛋白質(zhì)片段DNA,RNA分子作為模板編碼植物的DNA的新特征。

使用CRISPR植物中,標(biāo)準(zhǔn)的方法是插入CRISPR基因編碼CRISPR-Cas9“編輯機(jī)器”到植物細(xì)胞的DNA。當(dāng)CRISPR-Cas9基因被激活時(shí),它將查找和修改植物基因組的相關(guān)部門,創(chuàng)建新的特征。

但這是“第22條軍規(guī)”。因?yàn)榕cCRISPR執(zhí)行DNA編輯/ Cas9你第一次與外國(guó)CRISPR基因改變植物的基因——這將使轉(zhuǎn)基因生物。

非轉(zhuǎn)基因作物的新戰(zhàn)略

年度作物如玉米、水稻和番茄,完成他們的生命周期內(nèi)的種子從發(fā)芽到生產(chǎn)一年,CRISPR基因可以很容易地編輯植物淘汰。這是因?yàn)檫@些植物種子生產(chǎn)不帶CRISPR基因,只是新特征。

但這個(gè)問(wèn)題很棘手的多年生植物,需要10年達(dá)到花和種子生產(chǎn)的階段。需要太長(zhǎng)時(shí)間等待CRISPR基因的種子,是免費(fèi)的。

我的團(tuán)隊(duì)在康涅狄格大學(xué)和我的合作者南京農(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)和圣地亞哥加州大學(xué)最近開(kāi)發(fā)了一個(gè)方便、可靠的新技術(shù)使用CRISPR創(chuàng)建理想的特征在沒(méi)有引入任何外國(guó)細(xì)菌基因的農(nóng)作物。

我們首先設(shè)計(jì)了一個(gè)自然發(fā)生的土壤微生物、土壤桿菌屬,CRIPSR基因。然后我們年輕的葉子或拍攝從植物材料和混合在培養(yǎng)皿中細(xì)菌和允許他們醞釀在一起幾天。這使細(xì)菌感染的細(xì)胞和交付基因編輯機(jī)器,然后改變了植物的遺傳密碼。

在某些土壤桿菌屬感染細(xì)胞,農(nóng)桿菌屬基本上是特洛伊木馬,把所有的編輯工具進(jìn)入細(xì)胞,而不是工程機(jī)械工廠有自己的編輯。因?yàn)榧?xì)菌的基因或CRISPR基因不要成為植物的基因組在這些細(xì)胞的一部分,只做基因編輯的工作——任何植物來(lái)自這些細(xì)胞不被看作是轉(zhuǎn)基因。

幾天后,我們可以從編輯植物細(xì)胞培養(yǎng)植物。那么它需要幾周或幾個(gè)月增長(zhǎng)一個(gè)編輯植物可以種植在農(nóng)場(chǎng)。難的是找出哪些植物被成功修改。但我們有辦法解決這個(gè)問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了一種方法,只需要兩周的時(shí)間來(lái)確定編輯植物。

基因設(shè)計(jì)草坪

編輯植物與人類細(xì)胞的一個(gè)重要區(qū)別是,我們并不關(guān)心編輯錯(cuò)誤。對(duì)于人類來(lái)說(shuō),這樣的錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致疾病,但非目標(biāo)突變植物不是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。大量的已發(fā)表的研究低到可以忽略不計(jì)的非目標(biāo)活動(dòng)報(bào)道中觀察到植物與動(dòng)物相比,系統(tǒng)。

同時(shí),在分發(fā)任何植物種植的農(nóng)民,編輯植物將仔細(xì)評(píng)估明顯的生長(zhǎng)和發(fā)育缺陷或應(yīng)對(duì)干旱,極端溫度、疾病和昆蟲(chóng)的攻擊。此外,DNA測(cè)序編輯植物一旦他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)可以很容易地識(shí)別任何重大不良不相干的突變。

除了柑橘類,我們的技術(shù)應(yīng)該是適用于大部分多年生農(nóng)作物如蘋(píng)果、甘蔗、葡萄、梨、香蕉、楊樹(shù),松樹(shù),桉樹(shù)和一些年度作物如草莓、馬鈴薯和甘薯不使用種子傳播。

我們也看到一個(gè)角色在許多其他植物基因組編輯技術(shù)用于農(nóng)業(yè)、園藝和林業(yè)產(chǎn)業(yè)。例如,我們正在創(chuàng)造草坪草品種,需要更少的肥料和水。我敢打賭,你也會(huì)這樣的。