“基因魔剪”重塑歐洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

一場生物技術(shù)革命正在歐洲悄然興起。2012年，法國科學(xué)家埃馬紐爾·夏彭蒂耶與美國科學(xué)家詹妮弗·杜德納共同開發(fā)出極具潛力的基因組編輯工具——“基因魔剪”（CRISPR-Cas9），并因此于2020年榮獲諾貝爾化學(xué)獎。“基因魔剪”具備操作簡單、成本低廉、編輯效率高等特點，自問世以來便迅速成為全球備受追捧的基因編輯技術(shù)，在疾病治療、基因改造等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景與巨大的商業(yè)價值。長期以來，學(xué)界一直期待將這一技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，然而嚴(yán)苛的法律監(jiān)管一直制約著其實際落地。2024年2月，歐洲議會最終通過決議，放寬了對新興基因組技術(shù)作物的監(jiān)管限制。

“生物進化本就是持續(xù)突變的過程。在1公頃的小麥田里，每年都會自然發(fā)生2.4億次突變，人們對此習(xí)以為常。”法國國家科學(xué)研究中心主任、分子遺傳學(xué)家弗朗索瓦·帕爾西說，“那為何就對實驗室里精準(zhǔn)可控的單一突變憂心忡忡呢？”

“基因魔剪”的厲害之處在于，它能以極低的成本精準(zhǔn)編輯作物基因組，賦予作物抗旱、抗病等優(yōu)良性狀。傳統(tǒng)選育技術(shù)依賴自然突變，育種周期可能長達數(shù)十年，而新興基因組技術(shù)能大幅縮短這一進程。

自20世紀(jì)20年代起，科學(xué)家們借助誘變技術(shù)（通過物理射線或化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)作物基因突變），已成功培育出超3200個新品種，星彩紅寶石西柚便是其中的典型代表。在歐洲，所有通過非自然方式改造遺傳物質(zhì)的生物體，均被界定為“轉(zhuǎn)基因生物”，并受到嚴(yán)格監(jiān)管。然而，鑒于誘變技術(shù)應(yīng)用廣泛且培育品種數(shù)量龐大，歐盟最終決定不再將其培育的作物納入“轉(zhuǎn)基因生物”監(jiān)管范疇。針對新興基因組技術(shù)培育的作物，歐盟還規(guī)定，若性狀突變數(shù)量不超過20個，可豁免“轉(zhuǎn)基因生物”標(biāo)簽標(biāo)識。

帕爾西指出，“植物馴化是人類歷史的重要組成部分。幾千年來，人類不斷通過雜交改良等手段選育作物品種，以滿足生產(chǎn)生活需求。如今，借助新興基因組技術(shù)，研究人員僅需短短幾個月，就能精準(zhǔn)賦予作物特定優(yōu)勢性狀，達成過去需歷經(jīng)上萬年自然馴化才能實現(xiàn)的效果。因此，我認(rèn)為應(yīng)當(dāng)適度放寬相關(guān)監(jiān)管限制。”

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新紀(jì)元

法國國家農(nóng)業(yè)食品與環(huán)境研究院的科研團隊在蔬果品種改良方面取得了重大進展。該團隊主任讓–呂克·加盧瓦說：“我們專注于研究植物的馴化機制。例如，野生番茄如何通過基因突變變得可口多汁？”在研究辣椒和豌豆時，該團隊發(fā)現(xiàn)，這些作物對部分植物病毒具有天然抵抗力，如李痘病毒、馬鈴薯Y病毒等。他們還發(fā)現(xiàn)，植物病毒會利用蛋白質(zhì)來實現(xiàn)感染。加盧瓦表示，“只要改變作物基因中的核苷酸，就能使病毒無法識別作物的蛋白質(zhì)，從而避免感染。而且，經(jīng)過基因編輯的作物與普通作物在其他方面并無二致。”利用這一機制，加盧瓦團隊成功培育出了對多種植物病毒都具有抗性的櫻桃番茄。目前，他們正在土豆上試驗這一技術(shù)。在這項科研突破中，“基因魔剪”發(fā)揮了重要作用。“讓櫻桃番茄具備抗病性僅需兩個突變。雖然全球每年種植的櫻桃番茄多達上千億株，但這兩個突變自然發(fā)生的概率極低，或許需要上千年。而‘基因魔剪’能將這個進程縮短至幾個月。”生物學(xué)家克里斯托夫·羅巴利亞說。

新興基因組技術(shù)開辟了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新紀(jì)元。目前，世界上有超過50萬種植物，而人類僅馴化了一小部分。羅巴利亞指出，“野生植物往往攜帶抗性基因，但它們和栽培品種親緣關(guān)系較遠，雜交難度大。因此，抗性基因難以被引入栽培品種。而基因編輯技術(shù)能夠復(fù)制野生植物的有益基因，并將它們轉(zhuǎn)移至栽培品種。”

德國杜塞爾多夫大學(xué)與法國發(fā)展研究所利用基因編輯技術(shù)，培育出了抗水稻黃斑駁病毒的水稻新品種。這種病毒流行于非洲大陸，曾導(dǎo)致多個國家水稻失收。研究人員在一個低產(chǎn)水稻品種中發(fā)現(xiàn)了抗性基因，并將其成功轉(zhuǎn)入亞洲品種。他們的下一步計劃是將這種基因引入非洲當(dāng)?shù)仄贩N，從而幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者抵御病毒威脅。

抗旱"

“目前已有25款農(nóng)產(chǎn)品通過基因編輯技術(shù)實現(xiàn)了一至兩次突變，獲得了抗性基因。這些產(chǎn)品即將投入市場。”帕爾西說，“智利的一支科研團隊培育出了抗白粉病葡萄。荷蘭瓦格寧根大學(xué)的科研團隊培育出了能夠抵御霜霉病的土豆。它們的抗性基因都源自野生植物。”

歐盟委員會的專家認(rèn)為，新興基因組技術(shù)能夠顯著減少農(nóng)藥用量，大幅降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對生物多樣性及自然氣候的影響。作為最早研究擬南芥基因組的學(xué)者之一，帕爾西介紹道：“擬南芥是一種開花植物，基因組簡單，開花后便會死亡。然而，只需兩次突變，就能改變它的生命周期，使其開花后不再死亡，而是繼續(xù)生長開花，根莖也將木質(zhì)化。想象一下，如果能在小麥或向日葵上復(fù)現(xiàn)這種突變，就能免去每年播種的麻煩了。多年生大麥的成功案例證明，這一性狀完全可以復(fù)制到小麥上。”

植物的根莖在土壤中扎得越深，固碳能力便越強，抗旱性也越好。越來越多的科學(xué)家開始研究如何才能培育出適應(yīng)當(dāng)今氣候的新品種，比如耐旱玉米、耐鹽堿水稻等。帕爾西說：“氣候變化迫使我們重塑農(nóng)業(yè)。目前，僅15種主要作物就貢獻了人類所需熱量的70%。許多曾為人類提供能量的作物已被淘汰，保留下來的都是最符合人類需求的品種。然而，這些根據(jù)舊標(biāo)準(zhǔn)選育的品種也存在明顯缺陷，如適應(yīng)能力不足、培育成本高。我們必須根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)重新馴化植物。借助新興基因組技術(shù)，原本需要3000年才能完成的馴化過程，現(xiàn)在僅需半年到十年的時間便能實現(xiàn)。”

盡管如此，歐洲議會環(huán)境委員會依然建議不為新興基因組技術(shù)作物授予專利。此外，部分歐盟成員國受到“轉(zhuǎn)基因食品導(dǎo)致老鼠長出巨大腫瘤”等不實傳言的影響，對轉(zhuǎn)基因技術(shù)懷有深切恐懼，并堅決抵制對一切活體生物進行基因改造。這種態(tài)度或會阻礙新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

編輯：侯寅