【蘇和仲專欄】CRISPR 如何產生下一個重磅作物

科學正試圖透過編輯特定基因來快速馴化野生植物物種，但他們面臨著重大的技術挑戰，以及對原住民知識利用的擔憂。麥可馬歇爾 Michael Marshall 發表在最新一期《自然》(Nature)的<CRISPR 如何產生下一個重磅作物>( How CRISPR could yield the next blockbuster crop)指出，北京遺傳與發育生物學研究所的李家洋，一位科學家、植物遺傳學家正在瞄準野生稻中的基因，以使其更容易種植。在野生型水稻品種，該品種用於從頭馴化。
CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）是一種基因編輯技術，用於修改生物體的基因。這項技術最初是從細菌的天然免疫系統中發現的，它可以定位並剪切DNA序列，然後允許科學家插入、刪除或修復特定基因。
破解野生稻的基因組將其變成馴化作物
在短短幾年的時間裡，李家洋正在努力實現曾經需要幾個世紀才能實現的目標。他想透過破解野生稻的基因組將其變成馴化作物。他已經踏出了第一步。李是北京遺傳與發育生物學研究所的植物遺傳學家，正在研究一種來自南美洲的野生稻品種，名為Oryza alta。它生產可食用、營養豐富的穀物，但無法收穫，因為種子一旦成熟就會掉落在地上。為了馴服這種植物，李和他的同事需要消除這種被稱為種子破碎的特性，並改變其他一些特性。
李和他的同事對O. alta基因組進行了測序，並將其與國產水稻的基因組進行比較，尋找與控制傳統作物重要性狀（如莖直徑、顆粒大小和種子落粒性）相似的基因。然後，他們用客製化的基因編輯工具針對這些基因，試圖重現一些使馴化水稻易於耕種的基因變化。李說，儘管植物落粒的速度仍然太快，但所有性狀都在一定程度上都得到了改善。「我們正在努力解決這個問題，」他說。
這種水稻的改良是越來越多利用基因組編輯快速馴化新作物的努力之一。透過這個被稱為「從頭馴化」的過程，世界上早期農民花了數千年的轉變可以在短短幾年內實現。這項工作可能會提高全球糧食供應的彈性：主要農作物的許多野生近緣種都具有有用的特徵，當氣候變遷對全球農業造成壓力時，這些特徵可能會變得有價值。例如，O. alta 「對鹽、乾旱以及一些非常嚴重或非常危險的疾病具有非常強的抵抗力」，李說。
但從頭馴化的技術挑戰是巨大的。大多數野生植物都沒有被充分研究，如果不了解它們的基本生物學，就不可能透過重寫它們的基因組來馴化它們。使用 CRISPR-Cas9 等工具進行標靶基因編輯是一種強大的方法，但它無法完全複製數千種突變，這些突變對現代國內作物的生長和收穫進行了微調。
科學如何讓歷史悠久的品種復活
巴西米納斯吉拉斯州維索薩聯邦大學的植物生理學家 Agustin Zsögön 表示：「這似乎是一個非常簡單的想法，但你越開始分解，它在概念上就變得越複雜。」 因此，儘管商業生產商對這個概念感興趣，但沒有公司公開追求它。還有人擔心從頭馴化可能會被濫用。許多野生植物只有原住民才知道，他們世世代代都在照顧它們。縱觀歷史，殖民列強竊取或利用了原住民的知識，就像南非的茶樹路易波士 ( Aspalathus Linearis ) 所發生的那樣。馬薩諸塞大學阿默斯特分校的植物學家瑪德琳·巴特利特說：「我非常清楚，不要重複過去的錯誤。」
有人提出了研究人員如何以符合道德的方式與原住民及其知識一起工作的建議，但到目前為止，這些建議尚未被廣泛採用或編入法律。「就糧食作物而言，我們可能在很大程度上忽視了原住民社區，」南非斯泰倫博斯大學的植物學家諾寬達·馬昆加 (Nokwanda Makunga) 說。「從事從頭馴化的人們需要更加清醒。」
馴服西紅柿
人們馴化植物已有大約一萬年的歷史。但Zsögön 表示，馴化是一個模糊的概念。許多植物都可以種植來生產食物，但它們的可預測性和產量與玉米或馬鈴薯等常見作物的產量不符，而且收割起來也不那麼容易。一個有用的經驗法則是，馴化物種已經與人類建立了永久的關係。如果讓它們自行其是，它們可能會枯萎，無法繁殖，或者乾脆失去人類在幾代人中珍惜的特徵。
儘管沒有關於第一個馴化植物物種的書面記錄，但很明顯，它們是有意或無意地透過育種產生的，這些育種選擇了理想的性狀，例如大果實或缺乏毒素。經過許多世代，控制這些性狀的突變不斷積累，導致作物與祖先品系非常不同。例如，現代玉米的大而軟的籽粒看起來幾乎與它的野生祖先類蜀黍的小而硬的種子完全不同。
選定的位點精確編輯現有基因組
選育仍是農業的支柱。但育種者現在針對特定性狀，經常使用引起突變的輻射或化學物質來加速創造遺傳變異的過程。
儘管取得了這些進步，但許多向作物引入性狀或生產全新作物的方法在某種程度上依賴機會。育種者無法控制突變的發生。相反，他們必須創造大量突變體並仔細篩選它們，希望在數千個有害突變中找到少數有用的突變。
基因編輯有望改變這一現狀，它允許研究人員有針對性地編輯生物體的基因組。幾十年來，遺傳學家一直在這樣做，他們使用既定的方法將整個基因添加到生物體中，以創造「基因改造」作物，例如抗蟲或耐除草劑的玉米或大豆植物。但新的基因編輯工具提供了更多的控制，使研究人員能夠在選定的位點精確編輯現有基因組。最突出的技術使用 CRISPR–Cas9，它最初是細菌「免疫系統」的一部分，可以重新編程來編輯基因組。
透過基因組編輯進行從頭馴化的首次演示發生在 2018 年。在一次演示中，Zsögön 和他的同事馴化了名為Solanum pimpinellifolium的野生南美西紅柿。它們是馴化番茄（ Solanum lycopersicum ）最近的野生近緣種。即使與櫻桃番茄變種相比， S. pimpinellifolium的果實也很小，但可以食用。「它們酸甜可口，還帶有一絲辣味，」Zsögön 說。他的團隊編輯了該植物基因組的六個關鍵區域，以產生類似國產番茄的版本。新植物結出的果實是野生植物的十倍，果實大小是原來的三倍。
巨大的突破，但新植物尚未大規模種植
在另一項研究中，紐約冷泉港實驗室的 Zachary Lippman 和紐約州伊薩卡康奈爾大學的 Joyce Van Eck 領導的團隊將野生地櫻桃（Physalis pruinosa）進一步馴化。地櫻桃與番茄、馬鈴薯和辣椒屬於同一植物科。它生長在中美洲和南美洲的部分地區，因其甜美的金色漿果而聞名。但收割起來很困難，因為這種植物生長得很龐大，而且果實很小，成熟後很快就會掉到地上。研究小組修改了一個名為Ppr-SP5G 的基因，使植物更加緊湊，並調整了另一個基因Ppr-CLV1，使果實重 24%。
這些都是巨大的突破，但新植物尚未大規模種植，更不用說出售給消費者了。Zsögön 表示，儘管這是最終目標，但這些初步研究只是「概念驗證」。「我們只是證明這是可以做到的。」
在數千種病毒中發現的 CRISPR 工具可以促進基因編輯
他說，從頭馴化對於培育能夠抵抗乾旱等非生物壓力源的作物特別有用，因為相關性狀通常涉及多個基因；將每一種都培育成馴化物種將非常耗時。透過從頭馴化，理論上，研究人員可以透過調整一些基因來快速馴化野生植物。李說，有些野生物種也比馴化品種更有效利用氮等營養素。野生植物的馴化應該使農民能夠減少化肥的使用，從而降低成本以及有害的流入河流的徑流。這些潛在的好處促使多個群體嘗試馴化專案。
2018 年，分子遺傳學家 Sophia Gerasimova 在位於新西伯利亞的俄羅斯科學院西伯利亞分院開始嘗試馴養野生馬鈴薯。她的努力因 2022 年俄羅斯入侵烏克蘭而中斷：她抗議戰爭並搬到巴西坎皮納斯氣候變遷基因組學研究中心。
格拉西莫娃和她的同事篩選了野生馬鈴薯基因組，尋找良好的候選物種。為了適合馴化，植物必須能夠接受 CRISPR 並具有潛在有用的性狀。如果植物具有「壞」性狀，則需要由少數基因控制。他們最終選擇的野生馬鈴薯（Solanum chacoense）具有許多吸引人的特性：它能產生看起來像國產馬鈴薯的圓形塊莖，能夠抵抗病毒和害蟲，而且植物整齊緊湊，易於種植。它還能抵抗「冷甜化」——有些馬鈴薯在冷藏時會富含葡萄糖和果糖，導致煮熟時味道不佳。然而，格拉西莫娃說，塊莖「又小又苦」。他們需要解決這個問題。
將 CRISPR 應用於新物種本身就是一個挑戰
Gerasimova 和她的同事確定了 CRISPR 編輯的五個目標基因，他們認為這些基因與塊莖形成時間和有毒甾體糖生物鹼積累等關鍵性狀有關5。然而，研究人員一直在努力對植物進行必要的編輯。格拉西莫娃說，他們已經成功地編輯了植物細胞中的基因組，但尚未設法使這些突變傳播到整個植物。她樂觀地認為他們將克服這一障礙。
從頭馴化的作物尚未商業化種植的原因有很多。其一，正如格拉西莫娃的經歷所表明的那樣，將 CRISPR 應用於新物種本身就是一個挑戰。
同樣重要的是馴化的複雜性。儘管少數基因確實可以引起顯著變化，但馴化作物在其基因組的許多區域與其野生近緣種不同，每種差異都可能產生微小但重要的影響。「有數千個基因使玉米不同於大蜀黍，」巴特利特說。使用 CRISPR 來重現所有這些變化是不切實際的。
整個馴化計畫依賴誘變和選擇性育種
因此，傳統育種技術將繼續發揮重要作用。明尼蘇達大學聖保羅分校的發育生物學家大衛·馬克斯 (David Marks) 是一個致力於馴化田間芥菜 ( Thlaspi arvense ) 的團隊的一員，這是該機構「永遠綠色」計劃的一部分。側芥菜有一個垂直的莖，有小捲心菜狀的葉子和白色的花。馬克斯說，它的種子含有一種有用的油，「與菜籽油非常相似」。
整個馴化計畫依賴誘變和選擇性育種——馬克斯指出，傳統方法仍在改進，現在比前幾十年快得多6。當 CRISPR 起飛時，該計畫已經處於後期階段。
「別誤會我的意思，」馬克斯說。「CRISPR 技術優雅、美麗且簡單。我真希望它早年就可以使用。」 然而，它僅在某些情況下才實用。「就細葉菜而言，我們從一種已經具有理想特性的植物開始，」他說。不需要用 CRISPR 實現的單基因改變。但許多其他潛在有用的野生植物，例如O. alta，需要對少數基因進行此類有針對性的改變。
透過基因編輯進行從頭馴化還有另一個障礙，那就是植物學家對野生植物生物學的了解有限。關於植物的大部分知識都來自少數模式物種，例如擬南芥（Arabidopsis thaliana）。大多數野生植物甚至沒有對其基因組進行測序，更不用說進行深入研究以了解 DNA 序列的作用，而這在嘗試從頭馴化之前是必要的。「你必須擁有基本資訊和基本建置模組才能進行這種操作，」馬昆加說。
基因編輯西紅柿可以提供維生素 D 的新來源
「這些技術遠遠超過了我們對基礎生物學的了解，」巴特利特說。另一個複雜的問題是尋找方法來解釋原住民群體的權利。巴特利特和馬昆加認為，這些群落需要從一開始就被納入任何從頭馴化計畫中7。「我們在實踐中需要更加道德，」馬昆加說。
當原住民對野生植物擁有所有權時，「他們應該參與這些項目，並從這些項目中出現的任何形式的創新中受益」，新西蘭漢密爾頓懷卡託大學的 Maui Hudson 說。
南非已朝這個方向採取了步驟。Makunga 和她的同事會見了桑人的代表，討論了一個新項目的好處——這是南非《國家環境管理：2004 年第 10 號生物多樣性法案》要求他們做的事情。2010 年《名古屋議定書》，該公約的一部分生物多樣性公約也要求與原住民群體分享利用遺傳資源所帶來的惠益。同樣，巴西也為所有涉及本地物種的研究創建了一個儲存庫，並建立了一個機制，如果原住民社區的知識帶來利潤，則對他們進行補償。Zsögön 並不期望他的計畫能夠觸發這種機制，因為他研究的植物生長廣泛。同樣，李所從事的水稻「在南美洲廣泛傳播」，並且「與任何特定的土著群體無關，並且據我們所知，沒有任何人種植過」。
我們在有生之年可能看到的前景
然而，像巴西這樣的安排仍然很少見。例如，南非的商業路易波士茶產業已經存在了一個多世紀。該植物的馴化程度較低，因此該產業的實現只能歸功於科伊人和桑人保存的傳統知識。然而，直到 2019 年，該行業才簽署了一項協議，要求其向科伊族和桑族社區付款。
儘管面臨技術和政治方面的挑戰，研究人員仍對從頭馴化的潛力充滿熱情。「我對未來我們擁有可自訂和可修改的工廠開發感到興奮，」巴特利特說。「我認為這實際上是我們在有生之年可能看到的前景。」