我國科研人員研制新型基因編輯工具 讓作物育種更精準(zhǔn)高效
我國科研人員研制新型基因編輯工具
讓作物育種更精準(zhǔn)高效(科技視點(diǎn)·種業(yè)科技自立自強(qiáng)⑤)
本報(bào)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(shí)驗(yàn)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(xì)胞合成維生素C的過程中,有2個(gè)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(tuán)隊(duì),對(duì)生菜中這2個(gè)基因的上游表達(dá)調(diào)控元件進(jìn)行精準(zhǔn)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(jiǎng)的基因編輯技術(shù),被譽(yù)為21世紀(jì)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(shí)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(zhǔn)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(gè)品種可能需要幾年甚至幾十年的時(shí)間,這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)育種技術(shù)創(chuàng)造的各種變異是隨機(jī)的、不可控的?!澳秒s交育種來說,要經(jīng)過多代篩選,遇到一個(gè)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?!敝旖】嫡f。
基因編輯的出現(xiàn),讓更加精準(zhǔn)的基因調(diào)控成為現(xiàn)實(shí)。“基因編輯是改變目標(biāo)基因序列的技術(shù),如同對(duì)文本進(jìn)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’?!敝旖】到忉屨f,基因編輯可以精準(zhǔn)定位作物的特定基因,基因被“剪斷”后,細(xì)胞就會(huì)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(gè)基因只需很短的時(shí)間,一次最多可以調(diào)控多達(dá)幾十個(gè)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(qiáng)眾多對(duì)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(zhǔn)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(duì)生物本身基因進(jìn)行定向改造?!斑@項(xiàng)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?!敝旖】当硎尽?/p>
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(gè)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(tuán)隊(duì)與之合作,共同進(jìn)行后續(xù)開發(fā)。2019年,兩個(gè)新型基因編輯工具申請(qǐng)?jiān)瓌?chuàng)專利;2020年,團(tuán)隊(duì)成功驗(yàn)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(gè)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(xiàng)產(chǎn)品的儲(chǔ)備布局
位于濟(jì)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(gè)精準(zhǔn)基因編輯工程化研發(fā)平臺(tái)的運(yùn)營主體。這家由朱健康團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜創(chuàng)建的高新技術(shù)企業(yè),對(duì)兩個(gè)新型基因編輯工具進(jìn)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(jìn)行了系統(tǒng)的專利布局,已申請(qǐng)專利130余項(xiàng),其中PCT專利26項(xiàng),已獲得17項(xiàng)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(xiàng)產(chǎn)品的儲(chǔ)備布局。
“我們把新型基因編輯工具用好,最終的目標(biāo)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(tuán)隊(duì)的很多成果并沒有發(fā)表?!拔覀冮_發(fā)這個(gè)技術(shù),不是奔著發(fā)文章去的,而是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化,形成市場化的運(yùn)作機(jī)制,有效激勵(lì)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?!边@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?!?/p>
目前,舜豐生物搭建了8000多平方米的技術(shù)平臺(tái)、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(tái)、基因編輯產(chǎn)品工程化開發(fā)平臺(tái)、高通量種質(zhì)資源創(chuàng)新培育平臺(tái)、植物基因編輯中試熟化平臺(tái)。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(dòng)基因編輯育種向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)的關(guān)鍵?!彼簇S生物項(xiàng)目總監(jiān)牛小牧博士認(rèn)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(jìn)一批客座教授團(tuán)隊(duì)并聯(lián)合培養(yǎng)研究生,形成科研合力,共同促進(jìn)基因編輯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
產(chǎn)業(yè)化迎來新機(jī)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(qiáng)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(dòng)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(píng)價(jià)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(qiáng)化了我國基因編輯技術(shù)應(yīng)用的制度保障。
《指南》明確,對(duì)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(xiǎn)申報(bào)安全評(píng)價(jià)。“這將有助于我國構(gòu)建起更加精準(zhǔn)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(jī)遇?!敝旖】当硎?。
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(jìn)生物育種產(chǎn)業(yè)布局,持續(xù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈上的優(yōu)勢互補(bǔ),推進(jìn)基因編輯技術(shù)的產(chǎn)品儲(chǔ)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(shí)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(fù)擔(dān)?!案改脯F(xiàn)在干不動(dòng)農(nóng)活了。他們會(huì)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?!敝旖】嫡f,“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。”
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