中国研究人员开发新的基因编辑工具 使作物育种更加准确和高效

 

顺生物栽培的“高维生素C”生菜。

你见过维生素C含量堪比猕猴桃的生菜吗？在海南省崖州湾种子实验室，“高维生素C”生菜长势良好。这种通过基因编辑技术培育的生菜新品种，维生素C含量与猕猴桃相当。

在植物细胞合成维生素C的过程中，有两个基因起着关键作用，即维生素C合成的限速酶。中国南方科技大学教授、中国农业科学院生物产业前沿技术创新中心主任朱健康带领研究团队，精确编辑了生菜中这两个基因的上游表达调控元件，显著提高了这些生菜的维生素C含量。

2020年获得诺贝尔奖的基因编辑技术，被誉为21世纪生命科学的革命性突破，已在多个国家得到应用，在科研、农业、临床医学等领域展现出广阔前景。神奇的“基因剪刀”是如何实现品种改良的？中国能在基因编辑和育种方面后来居上吗？

找到能精准定位的“基因剪刀”

新型基因编辑工具的成功研制，有助于培育产量更高、质量更好的作物

基因是具有遗传效应的DNA(脱氧核糖核酸)片段，可以控制生物性状，支持生命的基本结构和性能。生物性状主要由基因决定，如玉米的株高、产量、抗倒伏性等。

根据朱健康的说法，基因编辑的最终结果类似于传统的育种技术，即引入人类所需的基因变异。按照传统的育种方法，改良一个品种可能需要几年甚至几十年的时间，因为传统育种技术创造的变异是随机的、不可控的。“以杂交育种为例。经过多代筛选，遇到真正需要的突变的概率很小，这也是育种周期长、难度大的原因之一。后来科学家想尽一切办法制造基因变异，比如太空育种，就是利用太空这种特殊的环境诱变，使种子发生变异。”朱健康说。

基因编辑的出现，让更精准的基因调控成为现实。“基因编辑是一种改变目标基因序列的技术。就像修改一段文字，你必须先找出你要修改的内容，然后根据修改的意图，用工具插入或删除一些‘文字’或重写一段‘文字’。”朱健康解释说，基因编辑可以准确定位农作物的特定基因。基因被“切断”后，细胞会修复断裂，发生变异。利用基因编辑技术，只需要很短的时间就可以改良作物的某个基因，一次最多可以调控几十个基因。

朱健康告诉记者：“现有的研究表明，基因编辑技术可以准确、快速地产生作物改良所需的基因突变，有助于培育出产量更高、营养更丰富、对极端天气更具耐受性、更少需要化肥和农药的作物。现在，基因编辑工具不仅可以用来删除或削弱对农艺性状不利的基因，还可以增强许多对作物有利的基因。”

在基因编辑的过程中，找到一个自带“导航系统”、定位准确的基因编辑工具非常重要。CRISPR/Cas9技术是近年来备受关注的“基因剪刀”。它结构简单，编辑效率高，易于操作，能定向改造生物体的基因。“这项技术应用广泛，在应用的过程中，这把‘剪刀’被磨得更加锋利。”朱健康说。

2018年，中国农业大学教授赖金生在噬菌体中发现了两个新的基因编辑工具CRISPR/Cas12i和CRISPR/Cas12j，它们比CRISPR/Cas9更小。它们在紧凑的蛋白质支架中保留了精确基因组编辑的关键功能，在植物基因编辑过程中具有良好的应用前景。

此后，朱健康带领团队与其合作，共同进行后续开发。2019年，两个新的基因编辑工具申请原创专利；2020年，团队成功验证了其在植物稳定转化系统中的编辑活动；2021年3月，两个新的基因编辑工具正式获得专利。

围绕产业开展科研

成功开发了20余种作物的基因编辑体系，开展了百余项产品的储备布局

在位于济南的山东顺丰生物科技有限公司“快繁植物工厂”，基因编辑后的作物种类繁多：有高产水稻、矮抗倒伏、高产玉米等主粮作物；淀粉品质改良的特殊种质，如玉米、水稻、马铃薯；还有附加值高的新品种，如香香的鲜食玉米、“高维C”生菜、高油酸大豆等。

顺生物是国内首个精准基因编辑工程研发平台的运营实体。这家由朱健康团队领衔的高科技企业，对两款新的基因编辑工具进行了挖掘和深度优化，并围绕基因编辑卡的颈部技术和共性关键技术进行了系统的专利布局。申请专利130多项，其中PCT专利26项，专利授权17项。目前，顺丰生物已经成功开发了20多种作物的基因编辑系统，进行了100多个产品的储备布局。

物育种中去，而不是只停留在学术研究层面。”朱健康坦言，在研发初期，团队的很多成果并没有发表。“我们开发这个技术，不是奔着发文章去的，而是推动产业化，形成市场化的运作机制，有效激励科研人员攻克关键核心技术，做出符合市场需求的产品。”

“要围绕产业需求做有用的科研。”这是舜丰生物总经理李峰博士说得最多的一句话。舜丰生物的不少科研人员常年奔波在农业生产一线，收集共性需求。李峰举例说，在矮化抗倒伏高产玉米培育过程中，科研人员就花了很大的精力来确定这些性状是由哪些基因控制的，“我们做了很多种组合，形成了一系列的应用方案。比如，我国东北地区种植的玉米就有抗倒伏方面的需求，降低株高就有很好的应用场景。”

目前，舜丰生物搭建了8000多平方米的技术平台、2.2万平方米的研发中心，规划建设10万平方米的基因编辑产业化基地。这里还拥有基因编辑底层技术研发平台、基因编辑产品工程化开发平台、高通量种质资源创新培育平台、植物基因编辑中试熟化平台。这里设置了由分子部、遗传转化部、性状部、育种大数据部组成的技术中心，以产品研发部、技术研发部、检测事业部组成的研发中心，以种业产业链为布局的产业发展中心，汇聚了240多位生命科学各领域的科研人员。

“产学研用紧密结合是推动基因编辑育种向产业化迈进的关键。”舜丰生物项目总监牛小牧博士认为，为了建立健全产学研用体系，公司与高校院所广泛开展合作，引进一批客座教授团队并联合培养研究生，形成科研合力，共同促进基因编辑的产业化应用。

产业化迎来新机遇

农作物基因编辑研发、应用有了更明确的规范，强化了我国基因编辑技术应用的制度保障

基因编辑技术是打好种业翻身仗、带动种业发展的新引擎，也是提升我国种业竞争力的利器。今年1月，农业农村部发布了《农业用基因编辑植物安全评价指南(试行)》(以下简称《指南》)，我国农作物基因编辑研发、应用有了更明确的规范，强化了我国基因编辑技术应用的制度保障。

《指南》明确，对未引入外源基因的基因编辑植物，依据可能产生的风险申报安全评价。“这将有助于我国构建起更加精准高效的生物育种技术体系，基因编辑育种技术研发与产业发展，也将迎来新的机遇。”朱健康表示。

牛小牧说，《指南》的发布，使公司更有信心了。下一步，他们将加快推进生物育种产业布局，持续进行生物育种技术攻关，不断深挖市场需求，与下游种业、农化及生物技术企业形成合力，实现产业链上的优势互补，推进基因编辑技术的产品储备布局。

朱健康家乡在安徽农村，是粮食的主产区。少年时代，朱健康的理想很简单：考上大学，吃上商品粮，不给家里添负担。“父母现在干不动农活了。他们会经常问我，搞科研几十年下来，究竟做了些什么？我说发了多少文章，他们也听不大懂，我就一直觉得自己没做出啥东西来。”朱健康说，“把基因编辑技术做好，让我的父母高兴，让广大的农民获益，是我最大的愿望。”