3月28日，美國(guó)農(nóng)業(yè)部部長(zhǎng)Sonny Perdue在一項(xiàng)聲明中說(shuō)，一些基因編輯的作物將不受監(jiān)管。2016年以來(lái)，美農(nóng)業(yè)部就放行了一些基因編輯的作物，這次表態(tài)可以說(shuō)進(jìn)一步確認(rèn)立場(chǎng)。

　　對(duì)基因工程包括轉(zhuǎn)基因的監(jiān)管，美國(guó)大體針對(duì)產(chǎn)品而非技術(shù)。這一策略保證了其農(nóng)業(yè)的全球領(lǐng)先地位。目前看，在基因編輯技術(shù)為作物育種帶來(lái)革命性變化的今天，美國(guó)將繼續(xù)引領(lǐng)世界；相較之下，歐洲和中國(guó)已然落后。

　　廣譜抗白粉病小麥：中國(guó)學(xué)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(duì)白粉病具有廣譜和持久的抗性。說(shuō)來(lái)也簡(jiǎn)單，他們只是在小麥基因組的170億個(gè)堿基中*地刪除了某幾個(gè)。這在以前是沒(méi)辦法做到的。

　　“小麥?zhǔn)橇扼w（AABBDD），在普通小麥A、B、D基因組上MLO基因各有一個(gè)拷貝，我們利用基因組編輯技術(shù)*對(duì)這三個(gè)拷貝同時(shí)進(jìn)行了突變，獲得了對(duì)白粉病有廣譜抗性的小麥。”邱金龍說(shuō)。

　　通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)，他們還明白了為什么小麥不會(huì)通過(guò)天然突變獲得和大麥一樣的廣譜抗性。在實(shí)驗(yàn)中，他們獲得了35個(gè)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(jìn)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(gè)拷貝同時(shí)突變的植株才有廣譜抗性。

　　“大麥?zhǔn)嵌扼w，小麥?zhǔn)橇扼w，每個(gè)基因組有三個(gè)拷貝，就有六個(gè)等位基因。自然狀態(tài)下，六個(gè)等位基因同時(shí)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(shuō)。

　　業(yè)內(nèi)稱(chēng)基因編輯為“類(lèi)天然突變”

　　基因編輯技術(shù)得益于幾種核酸酶的設(shè)計(jì)與使用。這些核酸酶的共同特點(diǎn)是，它們可以在你想要的DNA位點(diǎn)處產(chǎn)生雙鏈斷裂，可以理解為“指哪打哪”。隨后，細(xì)胞內(nèi)的固有修復(fù)機(jī)制被激活，對(duì)損傷處產(chǎn)生有效的基因修改。

　　細(xì)胞內(nèi)對(duì)DNA雙鏈斷裂的修復(fù)有兩條途徑：一種叫非同源末端連接，簡(jiǎn)稱(chēng)NHEJ；另一種叫同源重組，簡(jiǎn)稱(chēng)HR。相比較，NHEJ是主要的修復(fù)機(jī)制，通常帶來(lái)的是少量堿基的丟失，很少情況下也會(huì)有堿基插入。NHEJ實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)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(gè)堿基，和自然突變以及用化學(xué)試劑、X-射線(xiàn)等人工誘變產(chǎn)生的突變體沒(méi)有區(qū)別。“這也給檢測(cè)帶來(lái)了困難，因?yàn)槎吆茈y做出區(qū)分。”清華大學(xué)教授謝震說(shuō)。

　　對(duì)于上述基因敲除的蘑菇、玉米，美國(guó)農(nóng)業(yè)部已經(jīng)表示不在其監(jiān)管范圍之內(nèi)。

　　“我們把它們稱(chēng)之為類(lèi)天然突變。”邱金龍說(shuō)。實(shí)際上，不僅*終產(chǎn)品與常規(guī)育種類(lèi)似，運(yùn)用基因編輯技術(shù)還更*、簡(jiǎn)單、直接；而傳統(tǒng)的雜交往往導(dǎo)致基因組大片段的交換，即使是誘變育種也導(dǎo)致隨機(jī)的幾千個(gè)突變，需要大規(guī)模的后代篩選，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

　　不僅產(chǎn)品，過(guò)程亦不涉及轉(zhuǎn)基因。

　　當(dāng)然，細(xì)究廣譜抗白粉病小麥的創(chuàng)制過(guò)程也并非“無(wú)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(zhì)粒導(dǎo)入了植物細(xì)胞，隨機(jī)整合進(jìn)入植物的染色體中，那也是有外源DNA的插入了。

　　一個(gè)解決辦法是，在核酸酶表達(dá)和植物生成之后，進(jìn)一步篩選把含有重組DNA的植物去除。能做到這點(diǎn)緣于起初設(shè)計(jì)的兩個(gè)位點(diǎn)并不挨在一起。這兩個(gè)位點(diǎn)，一個(gè)是插入核酸酶的編碼DNA的位點(diǎn)，另外一個(gè)是核酸酶的作用位點(diǎn)。這兩個(gè)位點(diǎn)離得較遠(yuǎn)，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(guò)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(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且核酸酶的DNA的穩(wěn)定表達(dá)會(huì)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(guān)，指的是由于某些DNA片段的相似，核酸酶“不小心”把類(lèi)似的位點(diǎn)也切割了。好在基因編輯技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)所謂的“瞬時(shí)表達(dá)”，克服了這些缺點(diǎn)。

　　*種方式，使用農(nóng)桿菌、基因槍或原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化將核酸酶的編碼DNA或RNA傳遞至植物細(xì)胞。當(dāng)將核酸酶的編碼DNA構(gòu)建體運(yùn)送至細(xì)胞時(shí)，“瞬時(shí)表達(dá)”常常產(chǎn)生。在表達(dá)完核酸酶之后，DNA構(gòu)建體迅速降解，沒(méi)有機(jī)會(huì)整合入植物基因組。

　　例如2016年8月，高彩霞研究組通過(guò)CRISPR/Cas9 DNA或RNA“瞬時(shí)表達(dá)”，對(duì)六倍體小麥及四倍體小麥的7個(gè)不同基因進(jìn)行了定點(diǎn)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(méi)有檢測(cè)到脫靶效應(yīng)。“這就是瞬時(shí)起的作用，就相當(dāng)于揮舞大刀砍人，砍到了敵人，但也傷到了朋友，砍敵人時(shí)間越長(zhǎng)，傷到朋友的概率就更大。所以，‘瞬時(shí)表達(dá)’就會(huì)降低脫靶，也表明準(zhǔn)確性更高。”邱金龍說(shuō)。

　　不過(guò)，CRISPR/Cas9 DNA進(jìn)入細(xì)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(jìn)入細(xì)胞呢？

　　升級(jí)后的方法就是把核酸酶以蛋白質(zhì)的形態(tài)直接運(yùn)送至植物細(xì)胞。目前，通過(guò)基因槍直接將在體外組裝成的核糖核蛋白復(fù)合體（由Cas9蛋白和引導(dǎo)RNA組成）運(yùn)送到玉米的胚胎中，并生成了不含轉(zhuǎn)基因的玉米。高彩霞團(tuán)隊(duì)也用了類(lèi)似方法，生成的小麥不僅從*終產(chǎn)品上無(wú)外源DNA，而且在整個(gè)過(guò)程無(wú)外源DNA。

　　同樣強(qiáng)大的還有目前快速發(fā)展的堿基編輯技術(shù)。“還有一些表觀(guān)遺傳修飾的技術(shù)，DNA序列根本沒(méi)有改變，但也會(huì)產(chǎn)生新的性狀。”謝震說(shuō)。當(dāng)然，表觀(guān)遺傳修飾技術(shù)，如RdDM，產(chǎn)生的植物是否可以稱(chēng)為突變體也值得商榷，因?yàn)楹塑账嵝蛄胁](méi)有發(fā)生任何的改變。

　　總之，基因編輯技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)不僅可以獲得無(wú)轉(zhuǎn)基因的植物，而且全程都不涉及轉(zhuǎn)基因。

　　學(xué)者：監(jiān)管應(yīng)評(píng)估*終產(chǎn)品而非過(guò)程

　　另外一種修復(fù)途徑HR會(huì)復(fù)雜些。HR通過(guò)基因替代或者插入來(lái)實(shí)現(xiàn)*的基因編輯，需引入與斷裂處原序列類(lèi)似的DNA修復(fù)模版。該模版通過(guò)同源重組拷貝到染色體處，達(dá)到修復(fù)目的。

　　HR潛力巨大。不僅是添加基因，HR也可以通過(guò)改變基因編碼區(qū)的關(guān)鍵氨基酸殘基，或者改變啟動(dòng)子或控制基因表達(dá)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(guò)，若與傳統(tǒng)的雜交育種相比，如果是將自然界中已經(jīng)存在的可雜交物種中的同源基因定向?qū)?，則沒(méi)有理由不接受——因?yàn)?，原則上講，這樣的作物用雜交育種也能做到，只不過(guò)更加耗時(shí)。更為棘手的是，沒(méi)有辦法可以在這兩種方法創(chuàng)制的產(chǎn)品之間做出區(qū)分。*的不同是，傳統(tǒng)雜交耗時(shí)、準(zhǔn)確性低，經(jīng)常連帶將附近的一大段DNA也引入了進(jìn)去，可能有副作用。

　　那么，如果通過(guò)HR導(dǎo)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(shù)量的堿基改變才觸發(fā)監(jiān)管呢？這些問(wèn)題懸而未決。

　　不過(guò)，在一些專(zhuān)家看來(lái)，考慮技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中是否涉及到轉(zhuǎn)基因，思路本質(zhì)上就是錯(cuò)誤的。2016年，美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)性企業(yè)研究所的Gregory Conko和另外三位學(xué)者強(qiáng)調(diào)，監(jiān)管必須集中在實(shí)際的風(fēng)險(xiǎn)，而風(fēng)險(xiǎn)只是由經(jīng)過(guò)修飾的*終產(chǎn)品所帶來(lái)的，與所使用的方法毫無(wú)關(guān)系。對(duì)*終產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估而不是對(duì)創(chuàng)制產(chǎn)品的過(guò)程進(jìn)行監(jiān)管代表了科學(xué)界的主流意見(jiàn)。

　　生在中國(guó)，卻長(zhǎng)在美國(guó)的試驗(yàn)田里。

　　2009年，當(dāng)邱金龍從歐洲回到中國(guó)，準(zhǔn)備用新出現(xiàn)的基因編輯技術(shù)TALEN來(lái)創(chuàng)制對(duì)白粉病有廣譜抗性的小麥時(shí)，他的合作者高彩霞也從歐洲回國(guó)。

　　“在歐洲，我們?nèi)ソ榻B的時(shí)候，科研人員還不習(xí)慣使用這一新技術(shù)，歐洲相對(duì)比較保守。在中國(guó)，我們的植物基因組編輯研究在國(guó)際上還是領(lǐng)先的，并且得到了快速?gòu)V泛的應(yīng)用。”邱金龍說(shuō)。歐洲對(duì)轉(zhuǎn)基因的保守，已經(jīng)導(dǎo)致其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)的落后。

　　Gregory Conko等人認(rèn)為，美國(guó)對(duì)待基因工程技術(shù)的態(tài)度相對(duì)要寬松。美國(guó)食藥監(jiān)局集中評(píng)價(jià)產(chǎn)品。美國(guó)環(huán)保署集中考慮抗蟲(chóng)特性。美國(guó)農(nóng)業(yè)部發(fā)明了“植物害蟲(chóng)”（Plant pest）一詞，關(guān)注在基因工程作物的創(chuàng)制過(guò)程中是否用到植物病原體。對(duì)于新興的植物編輯技術(shù)，目前，白宮命令農(nóng)業(yè)部、食藥局、環(huán)保署更新其監(jiān)管的協(xié)調(diào)框架來(lái)應(yīng)對(duì)，廣泛收集民眾的意見(jiàn)。

　　傳統(tǒng)育種已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的食物需求和氣候變化等挑戰(zhàn)。如果還是通過(guò)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(shè)很幸運(yùn)能找到一個(gè)抗病植株，但一般它產(chǎn)量不高，那就需要和產(chǎn)量高的進(jìn)行雜交，雜交后還要經(jīng)過(guò)多代的優(yōu)化分離，一般要至少十年以上。”邱金龍說(shuō)。

　　然而，歐洲的科學(xué)家Maria Lusser等人曾指出，不利的監(jiān)管環(huán)境導(dǎo)致的高成本（每轉(zhuǎn)基因事件3500萬(wàn)美元）和費(fèi)時(shí)（需要5.5年才能完成），使得只有一些高利潤(rùn)的作物獲得大規(guī)模種植，如棉花、大豆和玉米；一些冷門(mén)的作物比如蔬菜和園藝品種則無(wú)人問(wèn)津。

　　“我覺(jué)得基因編輯如果法規(guī)足夠?qū)捤?，不需要大公司去做，很利于中?guó)的小公司去創(chuàng)新。我們給科學(xué)院寫(xiě)過(guò)材料，用了一個(gè)很俗的名詞，說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)中國(guó)育種產(chǎn)業(yè)的彎道超車(chē)；中國(guó)有2000多家種子公司，大都是小公司，沒(méi)法和國(guó)外的跨國(guó)公司競(jìng)爭(zhēng)。”邱金龍說(shuō)。

　　在植物育種領(lǐng)域，我們正站在一個(gè)變革的十字路口，也許是一場(chǎng)雙重的范式轉(zhuǎn)換：一方面，潛力巨大的植物編輯技術(shù)正在革新行業(yè)面貌；另一方面，以過(guò)程為基礎(chǔ)的監(jiān)管策略已經(jīng)不合時(shí)宜。

　　中國(guó)將如何應(yīng)對(duì)？我們只能從一些學(xué)術(shù)會(huì)議上聽(tīng)到只言片語(yǔ)的“建議”，即使是這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家，也小心謹(jǐn)慎。而誕生于中國(guó)實(shí)驗(yàn)室的廣譜抗白粉病小麥，因無(wú)需受到轉(zhuǎn)基因的監(jiān)管，正茁壯地生長(zhǎng)在美國(guó)的試驗(yàn)田里。

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