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我國科研人員研制新型基因編輯工具

讓作物育種更精準高效(科技視點·種業(yè)科技自立自強⑤)

本報記者 谷業(yè)凱

你見過維生素C含量能與獼猴桃媲美的生菜嗎？在海南省崖州灣種子實驗室里，“高維生素C”生菜長勢喜人。這種通過基因編輯技術(shù)培育的生菜新品種，其維生素C含量與獼猴桃不相上下。

在植物細胞合成維生素C的過程中，有2個基因起著關(guān)鍵作用，即維生素C合成的限速酶。南方科技大學(xué)教授、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)創(chuàng)新中心主任朱健康帶領(lǐng)科研團隊，對生菜中這2個基因的上游表達調(diào)控元件進行精準編輯，使這些生菜的維生素C含量得到顯著提高。

榮獲2020年諾貝爾獎的基因編輯技術(shù)，被譽為21世紀生命科學(xué)的革命性突破，已在許多國家得到應(yīng)用，在科研、農(nóng)業(yè)、臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域顯示出廣闊前景。神奇的“基因剪刀”如何實現(xiàn)品種改良？我國在基因編輯育種方面能否后來居上？

找到能精準定位的“基因剪刀”

新型基因編輯工具的成功研制，有助于培育產(chǎn)量更高、質(zhì)量更好的作物

基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA(脫氧核糖核酸)片段，它能控制生物的性狀，支持生命的基本構(gòu)造和性能。生物的性狀主要是由基因決定的，比如玉米的高矮、產(chǎn)量高低、能否抗倒伏等。

據(jù)朱健康介紹，基因編輯與傳統(tǒng)育種技術(shù)最終的結(jié)果是相似的，即引入人類需要的遺傳變異。按照傳統(tǒng)的育種方法，改良一個品種可能需要幾年甚至幾十年的時間，這是因為傳統(tǒng)育種技術(shù)創(chuàng)造的各種變異是隨機的、不可控的。“拿雜交育種來說，要經(jīng)過多代篩選，遇到一個真正需要的變異概率很小，這也正是育種周期長、難度大的原因之一。后來，科學(xué)家想方設(shè)法地來創(chuàng)造遺傳變異，比如太空育種，就是利用太空特殊的環(huán)境誘變作用來使種子產(chǎn)生變異。”朱健康說。

基因編輯的出現(xiàn)，讓更加精準的基因調(diào)控成為現(xiàn)實。“基因編輯是改變目標基因序列的技術(shù)，如同對文本進行修改一樣，首先要把想要修改的地方找出來，然后使用工具，按照修改的意圖，插入、刪除部分‘詞句’或者改寫一段‘文字’。”朱健康解釋說，基因編輯可以精準定位作物的特定基因，基因被“剪斷”后，細胞就會修復(fù)斷口并產(chǎn)生變異。利用基因編輯技術(shù)，改良作物的某個基因只需很短的時間，一次最多可以調(diào)控多達幾十個基因。

朱健康告訴記者：“已有的研究表明，基因編輯技術(shù)可以精確、快速地生成作物改良所需的基因突變，幫助培育出產(chǎn)量更高、更有營養(yǎng)、更耐受極端天氣、需要更少化肥和農(nóng)藥的作物。現(xiàn)在，基因編輯工具不僅可以用于去除或減弱不利于農(nóng)藝性狀的基因，還可以增強眾多對農(nóng)作物有益的基因。”

基因編輯過程中，找到自帶“導(dǎo)航系統(tǒng)”、能精準定位的基因編輯工具至關(guān)重要。CRISPR/Cas9技術(shù)就是近年來備受關(guān)注的“基因剪刀”，它構(gòu)成簡單、編輯效率高且易操作，能對生物本身基因進行定向改造。“這項技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，并且在應(yīng)用的過程中，這把‘剪刀’打磨得更加鋒利了。”朱健康表示。

2018年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教授賴錦盛在噬菌體中發(fā)現(xiàn)了兩個新型基因編輯工具CRISPR/Cas12i、CRISPR/Cas12j，與CRISPR/Cas9相比要小，在緊湊的蛋白質(zhì)支架中保留了精確基因組編輯的關(guān)鍵功能，在植物基因編輯過程中具有較好應(yīng)用前景。

此后，朱健康帶領(lǐng)團隊與之合作，共同進行后續(xù)開發(fā)。2019年，兩個新型基因編輯工具申請原創(chuàng)專利；2020年，團隊成功驗證其在植物穩(wěn)定轉(zhuǎn)化體系中的編輯活性；2021年3月，兩個新型基因編輯工具正式獲得專利授權(quán)。

圍繞產(chǎn)業(yè)開展科研

成功開發(fā)了20余種作物的基因編輯體系，開展了百余項產(chǎn)品的儲備布局

位于濟南的山東舜豐生物科技有限公司的“快速育種植物工廠”里，經(jīng)過基因編輯的作物琳瑯滿目：這里有高產(chǎn)水稻、矮化的抗倒伏高產(chǎn)玉米等主糧作物；有淀粉品質(zhì)改良的玉米、水稻、馬鈴薯等特色專用種質(zhì)；還有香味鮮食玉米、“高維生素C”生菜、高油酸大豆等高附加值新品種。

舜豐生物是國內(nèi)第一個精準基因編輯工程化研發(fā)平臺的運營主體。這家由朱健康團隊領(lǐng)銜創(chuàng)建的高新技術(shù)企業(yè)，對兩個新型基因編輯工具進行挖掘和深度優(yōu)化，圍繞基因編輯卡脖子技術(shù)、共性關(guān)鍵技術(shù)進行了系統(tǒng)的專利布局，已申請專利130余項，其中PCT專利26項，已獲得17項專利授權(quán)。目前，舜豐生物已成功開發(fā)了20余種作物的基因編輯體系，開展了百余項產(chǎn)品的儲備布局。

“我們把新型基因編輯工具用好，最終的目標還是應(yīng)用到作物育種中去，而不是只停留在學(xué)術(shù)研究層面。”朱健康坦言，在研發(fā)初期，團隊的很多成果并沒有發(fā)表。“我們開發(fā)這個技術(shù)，不是奔著發(fā)文章去的，而是推動產(chǎn)業(yè)化，形成市場化的運作機制，有效激勵科研人員攻克關(guān)鍵核心技術(shù)，做出符合市場需求的產(chǎn)品。”

“要圍繞產(chǎn)業(yè)需求做有用的科研。”這是舜豐生物總經(jīng)理李峰博士說得最多的一句話。舜豐生物的不少科研人員常年奔波在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一線，收集共性需求。李峰舉例說，在矮化抗倒伏高產(chǎn)玉米培育過程中，科研人員就花了很大的精力來確定這些性狀是由哪些基因控制的，“我們做了很多種組合，形成了一系列的應(yīng)用方案。比如，我國東北地區(qū)種植的玉米就有抗倒伏方面的需求，降低株高就有很好的應(yīng)用場景。”

目前，舜豐生物搭建了8000多平方米的技術(shù)平臺、2.2萬平方米的研發(fā)中心，規(guī)劃建設(shè)10萬平方米的基因編輯產(chǎn)業(yè)化基地。這里還擁有基因編輯底層技術(shù)研發(fā)平臺、基因編輯產(chǎn)品工程化開發(fā)平臺、高通量種質(zhì)資源創(chuàng)新培育平臺、植物基因編輯中試熟化平臺。這里設(shè)置了由分子部、遺傳轉(zhuǎn)化部、性狀部、育種大數(shù)據(jù)部組成的技術(shù)中心，以產(chǎn)品研發(fā)部、技術(shù)研發(fā)部、檢測事業(yè)部組成的研發(fā)中心，以種業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈為布局的產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，匯聚了240多位生命科學(xué)各領(lǐng)域的科研人員。

“產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合是推動基因編輯育種向產(chǎn)業(yè)化邁進的關(guān)鍵。”舜豐生物項目總監(jiān)牛小牧博士認為，為了建立健全產(chǎn)學(xué)研用體系，公司與高校院所廣泛開展合作，引進一批客座教授團隊并聯(lián)合培養(yǎng)研究生，形成科研合力，共同促進基因編輯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

產(chǎn)業(yè)化迎來新機遇

農(nóng)作物基因編輯研發(fā)、應(yīng)用有了更明確的規(guī)范，強化了我國基因編輯技術(shù)應(yīng)用的制度保障

基因編輯技術(shù)是打好種業(yè)翻身仗、帶動種業(yè)發(fā)展的新引擎，也是提升我國種業(yè)競爭力的利器。今年1月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布了《農(nóng)業(yè)用基因編輯植物安全評價指南(試行)》(以下簡稱《指南》)，我國農(nóng)作物基因編輯研發(fā)、應(yīng)用有了更明確的規(guī)范，強化了我國基因編輯技術(shù)應(yīng)用的制度保障。

《指南》明確，對未引入外源基因的基因編輯植物，依據(jù)可能產(chǎn)生的風(fēng)險申報安全評價。“這將有助于我國構(gòu)建起更加精準高效的生物育種技術(shù)體系，基因編輯育種技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，也將迎來新的機遇。”朱健康表示。

牛小牧說，《指南》的發(fā)布，使公司更有信心了。下一步，他們將加快推進生物育種產(chǎn)業(yè)布局，持續(xù)進行生物育種技術(shù)攻關(guān)，不斷深挖市場需求，與下游種業(yè)、農(nóng)化及生物技術(shù)企業(yè)形成合力，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈上的優(yōu)勢互補，推進基因編輯技術(shù)的產(chǎn)品儲備布局。

朱健康家鄉(xiāng)在安徽農(nóng)村，是糧食的主產(chǎn)區(qū)。少年時代，朱健康的理想很簡單：考上大學(xué)，吃上商品糧，不給家里添負擔(dān)。“父母現(xiàn)在干不動農(nóng)活了。他們會經(jīng)常問我，搞科研幾十年下來，究竟做了些什么？我說發(fā)了多少文章，他們也聽不大懂，我就一直覺得自己沒做出啥東西來。”朱健康說，“把基因編輯技術(shù)做好，讓我的父母高興，讓廣大的農(nóng)民獲益，是我最大的愿望。”