基因編輯 拯救柑橘

石楠

佛羅里達(dá)州是美國(guó)重要的柑橘產(chǎn)區(qū)，近年來(lái)，柑橘黃龍病對(duì)這里所有的柑橘樹(shù)造成了巨大的威脅。科學(xué)家們正試圖通過(guò)一種新技術(shù)對(duì)柑橘的基因進(jìn)行修改，以得到對(duì)黃龍病免疫的柑橘樹(shù)種。

生病的柑橘樹(shù)

正是柑橘成熟的季節(jié)，柑橘種植農(nóng)布萊克卻憂心忡忡。他查看著自家的柑橘樹(shù)，從樹(shù)葉上拂下幾個(gè)小小的灰點(diǎn)，那是亞洲柑橘木虱。這種小蟲(chóng)比一粒米還小，但它們傳播的柑橘黃龍病卻足以毀掉佛羅里達(dá)州整個(gè)柑橘產(chǎn)業(yè)。

從19世紀(jì)50年代開(kāi)始，布萊克家族就在佛羅里達(dá)州種植柑橘，至今已經(jīng)過(guò)了五代。布萊克家族經(jīng)歷過(guò)颶風(fēng)、霜凍和害蟲(chóng)帶來(lái)的種種打擊，但在過(guò)去十年左右的時(shí)間里，他們眼看著黃龍病變成了最嚴(yán)重的災(zāi)難。

柑橘葉片上長(zhǎng)黃斑是柑橘黃龍病的代表性癥狀。在布萊克的柑橘林中，幾乎所有正在結(jié)果的柑橘樹(shù)都感染了這種疫病。造成黃龍病的病原體是一種韌皮部桿菌，這種病菌會(huì)入侵并阻塞柑橘樹(shù)的韌皮部。韌皮部是植物體內(nèi)運(yùn)輸有機(jī)質(zhì)（主要是糖分）的內(nèi)部管道系統(tǒng)，植物葉片光合作用產(chǎn)生的糖分會(huì)通過(guò)這些管道運(yùn)到根部、枝干和果實(shí)。當(dāng)柑橘樹(shù)的韌皮部被阻斷時(shí)，其光合作用和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)都會(huì)受到巨大的影響。一些柑橘樹(shù)可能因此“餓死”，幸存的樹(shù)木結(jié)出的果實(shí)也常常是酸澀、畸形的。在1997年，這個(gè)行業(yè)的鼎盛時(shí)期，佛羅里達(dá)州的柑橘種植面積超過(guò)4000平方千米，產(chǎn)量高達(dá)2.44億箱。然而，由于黃龍病和“厄瑪”颶風(fēng)的“兩連擊”，2018年該州柑橘的預(yù)期產(chǎn)量?jī)H有4600萬(wàn)箱，這是自二戰(zhàn)以來(lái)產(chǎn)量最低的一年。美國(guó)農(nóng)業(yè)部已經(jīng)花費(fèi)了近5億美元來(lái)對(duì)抗黃龍病，但至少在目前，美國(guó)還不得不從巴西進(jìn)口橙子等柑橘類水果。

除了柑橘以外，很多農(nóng)作物都飽受病蟲(chóng)害的威脅。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大多采用單作模式，即在大片土地上種植單一的作物，這些作物在基因上高度相似，便于統(tǒng)一管理和收獲。但這也意味著，當(dāng)疫病發(fā)生時(shí)，同種作物會(huì)接連被感染。此外，貿(mào)易全球化也意味著疫病可以傳播得更快更遠(yuǎn)，而氣候變化會(huì)影響昆蟲(chóng)的分布，導(dǎo)致某些地區(qū)出現(xiàn)新的害蟲(chóng)，帶來(lái)新的病原體。另一方面，隨著人口增長(zhǎng)，人們對(duì)食物的需求也越來(lái)越大，到2050年，全球農(nóng)業(yè)要為100億人提供口糧。而一種新興的基因工程技術(shù)——基因編輯可能是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵之一。

基因編輯解決方案

2005年，美國(guó)邁阿密的柑橘首次出現(xiàn)了黃龍病感染，這令全美國(guó)的柑橘種植者感到擔(dān)憂。這種來(lái)自亞洲的疫病早已臭名昭著，因?yàn)樵缭谝粋€(gè)世紀(jì)前，黃龍病就曾對(duì)中國(guó)的柑橘種植業(yè)造成過(guò)巨大打擊。隨后，黃龍病在美國(guó)蔓延，與此同時(shí)，全世界還有幾十個(gè)國(guó)家也出現(xiàn)了不同程度的黃龍病疫情。

當(dāng)黃龍病在佛羅里達(dá)州肆虐時(shí)，遺傳學(xué)家弗雷德·格米特等科學(xué)家從柑橘行業(yè)組織申請(qǐng)到一筆資金，用以對(duì)柑橘樹(shù)的基因進(jìn)行測(cè)序。科學(xué)家們認(rèn)為，他們也許能從柑橘樹(shù)的基因圖譜中找到某種遺傳學(xué)解決方案的思路。在眾多病樹(shù)中間，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一些強(qiáng)大的“幸存者”。這些樹(shù)雖然會(huì)被感染，但癥狀較輕，并能結(jié)出健康的果實(shí)。研究人員正試圖找出它們體內(nèi)與抗病性相關(guān)的基因。

當(dāng)他們?cè)?011年發(fā)布第一個(gè)柑橘基因組序列時(shí)，測(cè)序技術(shù)的成本已經(jīng)大幅下降。第二年，CRISPR基因編輯技術(shù)誕生了。這項(xiàng)技術(shù)為植物育種帶來(lái)了新的可能。

相比以往的轉(zhuǎn)基因技術(shù)，基因編輯技術(shù)更加精準(zhǔn)、快捷，而且成本也較低。這一技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是：通過(guò)基因編輯，科學(xué)家可以在不引入外源遺傳物質(zhì)的前提下對(duì)植物基因組進(jìn)行修改，這樣就可以繞過(guò)轉(zhuǎn)基因這一“雷區(qū)”。

在植物中進(jìn)行基因編輯的難點(diǎn)之一是，怎樣把CRISPR組件導(dǎo)入植物細(xì)胞內(nèi)。過(guò)去，科學(xué)家使用農(nóng)桿菌將相關(guān)序列導(dǎo)入植物細(xì)胞中，但這種方法仍然屬于轉(zhuǎn)基因的范疇。最近，研究者開(kāi)始使用“基因槍”將CRISPR組件直接“射入”細(xì)胞。基因槍既沒(méi)有槍管也沒(méi)有扳機(jī)，它發(fā)射的“子彈”是納米級(jí)的金粒子。科學(xué)家將CRISPR組件包裹在金粒子表面，通過(guò)基因槍將其高速發(fā)射，這些粒子就會(huì)穿透植物細(xì)胞膜，將CRISPR組件導(dǎo)入細(xì)胞。

經(jīng)過(guò)基因編輯的植物細(xì)胞還只是單個(gè)的細(xì)胞，科學(xué)家們使用組織培養(yǎng)技術(shù)將它們培育成一棵棵小苗。這項(xiàng)技術(shù)依賴于植物細(xì)胞的全能性。每個(gè)單獨(dú)的植物細(xì)胞在一定的條件下能發(fā)生脫分化，成為全能的“干細(xì)胞”，并增殖分化成為完整的植株。

希望的樹(shù)苗

在佛羅里達(dá)大學(xué)柑橘研究和教育中心，生物學(xué)家王年和他年輕的團(tuán)隊(duì)正試圖通過(guò)基因編輯技術(shù)培育出一種抗黃龍病的柑橘。對(duì)柑橘進(jìn)行基因編輯是一項(xiàng)很有挑戰(zhàn)性的工作，柑橘并不是模式生物，它們的基因組相當(dāng)復(fù)雜。所幸，所有的柑橘屬植物（包括檸檬、柚子、橘子和橙子等）在基因上都非常相似，這意味著相同的基因編輯方案可用于多個(gè)物種。

具有諷刺意味的是，科學(xué)家們還沒(méi)能在實(shí)驗(yàn)室里培育出黃龍病的病原體，這使得研究變得更加困難。另一個(gè)障礙是，黃龍病是一種相對(duì)較新的疾病，因此植物自身對(duì)其抵抗力很弱，缺少具有研究?jī)r(jià)值的抗病基因。科學(xué)家們研究了柑橘的進(jìn)化史后發(fā)現(xiàn)，盡管人類種植柑橘的歷史已有幾千年，但柑橘黃龍病直到最近幾個(gè)世紀(jì)才出現(xiàn)。柑橘類植物還沒(méi)能在這么短的時(shí)間內(nèi)發(fā)展出抗病能力，即使是野生的柑橘種類也飽受黃龍病的摧殘。

那么，如果科學(xué)家能對(duì)柑橘這樣復(fù)雜的植物進(jìn)行基因編輯，他們的經(jīng)驗(yàn)對(duì)其他作物的基因編輯也會(huì)很有用。王年團(tuán)隊(duì)在過(guò)去的一年取得了重大突破，他們已經(jīng)確定了13種可能導(dǎo)致柑橘易感染黃龍病的潛在基因。現(xiàn)在，他們正用基因編輯技術(shù)來(lái)敲除這些基因。研究人員并不知道哪個(gè)或者哪幾個(gè)基因是抵抗黃龍病的關(guān)鍵，因此，他們嘗試了所用可能的組合。

經(jīng)過(guò)基因編輯的植株都先被放置在培養(yǎng)間。在這個(gè)略顯擁擠的小房間中，植物生長(zhǎng)燈照亮了架子上一排排培養(yǎng)皿和培養(yǎng)瓶。這些小小的瓶子里可能裝著柑橘種植業(yè)救星，但答案要在幾年后才能揭曉。

柑橘樹(shù)需要數(shù)年才能達(dá)到成熟期。在編輯了柑橘樹(shù)的基因組后，研究人員將不得不耐心等待小樹(shù)苗長(zhǎng)大。兩年之后，他們才能將植物暴露在柑橘黃龍病中。只有到那時(shí)，研究人員才知道這棵樹(shù)是否對(duì)其具有免疫力。即便這一步取得了成功，他們還得再等上幾年才能讓抗病植株結(jié)出果實(shí)，以確保果實(shí)風(fēng)味不減。

盡管距離培養(yǎng)出抗黃龍病柑橘還有很長(zhǎng)時(shí)間，但這項(xiàng)工作已經(jīng)給柑橘種植業(yè)帶來(lái)了一些希望。培養(yǎng)瓶中的小苗長(zhǎng)大后就會(huì)被種在溫室里。溫室里有一棵健康的葡萄柚樹(shù)，這是經(jīng)過(guò)基因編輯的抗柑橘潰瘍病（一種危害較大的柑橘疫病）的植株。

轉(zhuǎn)基因、基因編輯與農(nóng)業(yè)的未來(lái)

據(jù)估計(jì)，到2050年全世界總?cè)丝趯⑦_(dá)到97億，更多的人口意味著對(duì)衣食住行更多的需求，而其中最基本的就是食物。舉例而言，到2050年，全球糧食產(chǎn)量至少要比現(xiàn)在增加一倍，才能喂飽那么多人。

另一方面，氣候變化會(huì)給農(nóng)作物生產(chǎn)造成更多障礙。越來(lái)越多極端天氣的出現(xiàn)將給農(nóng)作物生長(zhǎng)帶來(lái)重重困難；而由于氣候變暖，生活在溫暖地帶的昆蟲(chóng)和病菌可能會(huì)擴(kuò)散到原本較為寒冷的地帶，帶來(lái)更多植物病蟲(chóng)害。

面對(duì)這樣的困境，我們必須采取一系列措施，比如改進(jìn)農(nóng)業(yè)管理技術(shù)，培育高產(chǎn)抗病的新品種作物等。隨著分子生物學(xué)的進(jìn)步，基因工程育種已成為頗具潛力的育種方法。

然而，轉(zhuǎn)基因育種的發(fā)展并非一帆風(fēng)順。除了本身的技術(shù)難題和成本問(wèn)題外，公眾對(duì)轉(zhuǎn)基因技術(shù)的不信任也是一大阻礙。轉(zhuǎn)基因作物的推廣不太順利，傳統(tǒng)的育種方法又過(guò)于低效，科學(xué)家不得不開(kāi)始考慮其他的育種方法。最近，很多育種專家把目光投向了正在蓬勃發(fā)展的基因編輯技術(shù)。

轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品的困境

很多人對(duì)轉(zhuǎn)基因作物抱著懷疑甚至抗拒的態(tài)度。但實(shí)際上，轉(zhuǎn)基因作物的加工制品在我們的日常生活中隨處可見(jiàn)。以美國(guó)為例，美國(guó)種植的玉米和大豆大部分都是轉(zhuǎn)基因品種，而這兩種作物被廣泛用于食品工業(yè)。大豆油、大豆蛋白、玉米淀粉、玉米糖漿等常見(jiàn)的食品原料通常都是由轉(zhuǎn)基因作物制成的。制造奶酪的凝乳酶也來(lái)自經(jīng)過(guò)基因改造的微生物。

轉(zhuǎn)基因玉米和大豆早在20世紀(jì)90年代中期就在美國(guó)上市。最初對(duì)轉(zhuǎn)基因作物的反對(duì)聲音來(lái)自種植這些作物的農(nóng)民，他們的不滿主要是針對(duì)生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因種子的企業(yè)而非轉(zhuǎn)基因本身。因?yàn)檫@些企業(yè)提高了種子和農(nóng)藥售價(jià)，并實(shí)施過(guò)度嚴(yán)苛的專利保護(hù)政策，很多農(nóng)民頗有怨言。后來(lái)，一些普通民眾也對(duì)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)物產(chǎn)生了不滿和質(zhì)疑。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)院在2016年發(fā)布的一份大規(guī)模研究報(bào)告表明，轉(zhuǎn)基因作物是安全的，且與常規(guī)作物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值沒(méi)有差別。但公眾對(duì)轉(zhuǎn)基因的認(rèn)識(shí)還很模糊。就在2016年，美國(guó)一項(xiàng)民意調(diào)查顯示，絕大多數(shù)人表示轉(zhuǎn)基因沒(méi)有什么了解；大約一半人不確定他們是否吃過(guò)轉(zhuǎn)基因食品；雖然有16%的人表示自己對(duì)轉(zhuǎn)基因生物十分關(guān)心，但他們的看法基本上是負(fù)面的。

市場(chǎng)營(yíng)銷助長(zhǎng)了公眾對(duì)轉(zhuǎn)基因的偏見(jiàn)。美國(guó)一些超市有“非轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品”專區(qū)，很多食品的包裝上也貼著“非轉(zhuǎn)基因”的標(biāo)簽——盡管大多數(shù)農(nóng)作物根本沒(méi)有轉(zhuǎn)基因的品種。食品生產(chǎn)商將“非轉(zhuǎn)基因”視為一種宣傳口號(hào)，這就是為什么有“非轉(zhuǎn)基因天然鹽”這樣的產(chǎn)品出現(xiàn)的原因，而顯然，氯化鈉根本沒(méi)有DNA。這就是一種營(yíng)銷的噱頭，不算高明但很有效。

很多科學(xué)家相信，轉(zhuǎn)基因育種有可能解決從作物病蟲(chóng)害到農(nóng)藥濫用等各種問(wèn)題。但消費(fèi)者的態(tài)度也影響了農(nóng)民對(duì)作物品種的選擇，盡管美國(guó)監(jiān)管部門(mén)不要求對(duì)轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品做特別標(biāo)示，農(nóng)民也不愿意冒險(xiǎn)種植消費(fèi)者可能不喜歡的作物。

基因編輯——育種學(xué)的未來(lái)

近幾年，基因編輯技術(shù)飛速發(fā)展，給作物育種帶來(lái)新的希望。常規(guī)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)通常涉及在作物基因組內(nèi)插入來(lái)自完全不同物種的DNA，且插入位點(diǎn)無(wú)法控制，而基因編輯則可以針對(duì)特定位點(diǎn)對(duì)作物基因組進(jìn)行精確可控的修改。經(jīng)過(guò)基因編輯的作物，既不含其他物種的基因，其基因組與常規(guī)作物的基因組也只有微小的差別。在自然條件下，植物體內(nèi)也會(huì)發(fā)生基因突變、缺失和重組，基因編輯從結(jié)果上看和這些自然變異是類似的，只是省去了人工篩選的程序。

2016年4月，美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA）為第一批CRISPR編輯作物開(kāi)了綠燈，包括一種能抵御褐變的蘑菇和一種不含直鏈淀粉、只有支鏈淀粉的糯玉米。在此之前，已經(jīng)有一些通過(guò)其他技術(shù)“編輯”過(guò)的作物獲批上市。美國(guó)農(nóng)業(yè)部在一系列文件中解釋道，這些新型基因編輯作物不需要作為轉(zhuǎn)基因生物（GMO）進(jìn)行管理，因?yàn)樗鼈兣c傳統(tǒng)培育的植物基本上沒(méi)有區(qū)別。

相比轉(zhuǎn)基因大國(guó)美國(guó)，歐洲各國(guó)對(duì)基因編輯的態(tài)度要謹(jǐn)慎得多。一些歐洲國(guó)家對(duì)轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品有著嚴(yán)格限制，盡管目前這些國(guó)家的政府對(duì)農(nóng)作物基因編輯采取不干預(yù)的態(tài)度，但一些民眾認(rèn)為，政府應(yīng)該像對(duì)轉(zhuǎn)基因作物一樣對(duì)基因編輯作物進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)管。

基因編輯技術(shù)能否擺脫“轉(zhuǎn)基因”的陰影？它會(huì)對(duì)未來(lái)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)生多大的影響？現(xiàn)在看來(lái)還都是未知數(shù)。

基因編輯與CRISPR-Cas系統(tǒng)

CRISPR/Cas系統(tǒng)是目前最常用的基因編輯工具，它是一種存在于很多原核生物（細(xì)菌、古菌）中的一種后天免疫系統(tǒng)。當(dāng)細(xì)菌被病毒侵染時(shí)，它們會(huì)把入侵者的DNA片段整合在自己基因組的CRISPR序列中，作為“通緝照片”。當(dāng)同樣的病毒再次“入侵”時(shí)，細(xì)菌就能迅速識(shí)別這段序列，并轉(zhuǎn)錄出一種特殊的RNA（crRNA），引導(dǎo)Cas蛋白在特定位置剪切病毒的DNA，使其失活。

2012年，美國(guó)生物學(xué)家詹妮弗·杜德納與法國(guó)生物學(xué)家埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶聯(lián)合進(jìn)行了一項(xiàng)研究，她們利用人工合成的crRNA序列和一種Cas蛋白（Cas9），在體外進(jìn)行了DNA序列的精準(zhǔn)剪切。隨后，對(duì)基因編輯的研究突飛猛進(jìn)。現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)可以利用CRISPR/Cas系統(tǒng)精確地在動(dòng)植物基因組中定位和修改特定的基因。