植物的基因编辑：绕过转基因的那些限制

　　

基因组编辑在临床上的应用或许还需要几年，不过在植物上的应用已经实现了。之前人们对转基因植物的抨击点是这些植物能与同一物种内的植物杂交，从而将突变性状传播到正常的植物。对CRISPR/Cas9基因编辑技术而言，这不是问题。

美国明尼苏达大学的合成生物学家Maciej Maselko利用CRISPR基因编辑来创造遗传改造的植物，它们与未经修饰的植物杂交时不会产生存活的后代。“我们开发出一种手段来改造物种形成事件，”Maselko说。

物种形成可以是自然发生的，比如灰熊和北极熊被地理分隔。物种形成的其他机制也可以用合子后分离来说明，比如山羊和绵羊交配后的后代无法存活。

Maselko解释说，改造物种形成事件需要两个变化。首先是基因的启动子区域，然后我们在转录激活子上设计第二个突变，这个激活子寻找原有生物的启动子序列。当它找到原先的启动子时，它会发动肌动蛋白的过表达，从而杀死后代。

常规的转基因植物必须严格分离，以防止突变基因扩散，或者进入食物链。通过创造新的植物物种，这些问题消失了。

“我们系统的优点是我们可以选择不同的启动子区域，这意味着理论上我们可以拥有无限的不相容物种，它们彼此之间不相容，与野生物种也不相容。我们可以有100个品种的玉米，每个都经过优化，在相邻的地方种植，而它们之间的基因流绝对为零，”Maselko说。

植物育种新选择

围绕基因组编辑的大部分讨论都涉及到试剂和技术，但这只是一方面。研究人员首先需要鉴定对特定性状负责的基因，并确定增强或去除它们的最佳方法。Benson Hill公司的基因编辑平台Edit就是这样一种计算分析工具，它将该公司的CropOS计算平台与CRISPR试剂相结合。

CropOS利用人工智能来鉴定赋予特定性状的基因序列，而CRISPR试剂盒能够对植物基因组进行改造，以便改进其风味、质地、营养成分和环境可持续性。为了应对ZFN、TALEN和CRISPR的复杂专利局面，Benson Hill开发出CRISPR 3.0基因组编辑技术，为那些缺乏资源获得授权的小型公司提供新的选择。

与其他版本的CRISPR一样，Edit的试剂也只需要合成向导RNA。过去的TALEN和ZFN研究则需要设计一种新的核酸酶。“改变向导序列无疑比开发酶要简单得多，”负责研发的副总裁Mohammed Oufattole说。此外，基因编辑的另一个优势就是能够将一个或多个外源基因插入植物。

对于Syngenta（先正达）公司来说，CRISPR的出现让基因编辑的成本降低了十倍。自2010年以来，这家公司一直在开展基因组编辑的工作。

负责种子研究的Michiel van Lookeren Campagne表示：“有了CRISPR，我们能够以类似传统育种的方式开发出理想的作物品种，同时更高效地对植物基因组进行精确的改变。通过投入我们所有的育种技术，我们希望加快新品种的开发，使其健康、营养或产量特性得到优化。”

他指出，所有的植物育种都是利用遗传多样性来改良作物。“基因组编辑让我们能够发扬这种多样性，微调基因的功能。大部分的变化也可以通过传统育种来获得，不过我们现在可以做得更快、更好、更便宜，”他说。

德克萨斯农工大学旗下的研究机构Texas A&M AgriLife Research也在采取多管齐下的方式来改造植物基因组。它资助了两个新的实验室，它们分别是Crop Genome Editing Lab和MultiCrop Transformation Lab。

这个机构目前可以实现向导RNA设计、Cas9/sgRNA重组体开发、基因枪法或农杆菌转化、植物再生以及基因编辑后代的确认。

CRISPR更受欢迎

Texas A&M的植物研究人员大多使用CRISPR/Cas9基因编辑平台。这个平台已经迅速取代了早期的ZFN和TALEN编辑方法。Crop Genome Editing Lab的负责人Michael Thomson教授指出，尽管三种基因编辑方法都用在植物上，但ZFN和TALEN已建立知识产权范围，而CRISPR还没有。

“那些已经拥有知识产权或授权的公司往往会坚持使用它们。不过那些方法比CRISPR更难实施。他们每次靶定新基因时都需要设计新的TALEN或ZFN蛋白。使用CRISPR，你只需要订购向导RNA。这也是学术实验室热衷CRISPR的原因，尽管知识产权还不确定。”

Thomson的实验室以大米作为模式物种，来了解哪些基因控制了感兴趣的性状。操控这些基因需要先测序基因，然后确定进行哪种编辑。“在许多情况下敲除是足够的，其他情况则需要改变蛋白中的几个氨基酸，”Thomson补充说。

敲除是最简单的编辑形式。“向导RNA在基因的某个位置引入双链断裂。当细胞尝试修复这个断裂，它会插入一两个碱基，或删除一个碱基，这会导致编码序列出现移码突变，诱导终止子提前出现，从而敲除基因的功能。”

尽管大多数敲除都是有害的，但在某些情况下，基因敲除会诱导理想的性状。水稻是一种高大的植物，但矮杆品种可以增强水稻的抗倒伏能力，从而提高产量。具体过程是敲除GA20氧化酶基因，以产生半矮杆植物。

植物的基因编辑很难开展，因为细胞壁阻止试剂的进入，这也是Texas A&M为什么要采用农杆菌作为转化试剂。不过，它们感染植物的过程很缓慢。“你仍然需要做组织培养和再生。我们正在努力让这个过程更高效，但目前还没实现，”Thomson说。

（作者：Angelo DePalma / 生物通编译）