基因编辑技术育种产业的发展与机遇

顾鸢

在世界范围内，基因编辑技术在分子育种领域发挥着越来越重要的作用。通过基因编辑技术培育高产、优质、高效农作物和高附加值新品种，有助于提升农业产业竞争力，保障粮食安全。虽然在基因编辑领域，最核心的技术掌握在欧美国家手里，但我国的发展也很快，特别是在植物基因编辑技术方面有很多专利，是我国实现种业跨越式发展的机遇。

关键词：种业；生物育种；基因编辑技术；基因编辑作物产业化

利用基因编辑技术进行农作物育种，已成为国际科学竞赛新的热门领域。2021年的中央一号文件对种业工作做了全面部署，明确了要尊重科学、严格监管，有序推进生物育种产业化应用。

2021年中央一号文件提出，对育种基础性研究以及重点育种项目给予长期稳定支持。加快实施农业生物育种重大科技项目。深入实施农作物和畜禽良种联合攻关。实施新一轮畜禽遗传改良计划和现代种业提升工程。尊重科学、严格监管，有序推进生物育种产业化应用。加强育种领域知识产权保护。支持种业龙头企业建立健全商业化育种体系，加快建设南繁硅谷，加强制种基地和良种繁育体系建设，研究重大品种研发与推广后补助政策，促进育繁推一体化发展。

在世界范围内，基因编辑技术已经在分子育种中发挥着越来越重要的作用。通过基因编辑技术培育高产、优质、高效农作物和高附加值新品种，有助于提升国家的农业产业竞争力，保障粮食安全。因此，要抓住我国种业发展的机遇，加快推进农业关键核心技术攻关，补齐基因编辑技术育种突出短板，集中力量打好种业翻身仗，实现我国重要农产品种源自主可控。

我国种业跨越式发展的机遇

种子是农业产业的基石，种业是具有国家基础及战略意义的产业。党的十八大以来，国家高度重视种业问题，我国种业科技和产业发展取得了明显的成效。今年2月，农业农村部副部长张桃林在“全面推进乡村振兴加快农业农村现代化”发布会上表示，我国农业用种安全有保障，风险可控。但也要清醒地认识到，与国际先进水平相比较，我国种业发展还有不少的不适应性和短板弱项，迫切需要下功夫来解决。

张桃林表示：“目前，世界种业正迎来以基因编辑、合成生物学、人工智能等技术融合发展为标志的现代生物育种科技革命，需要我们抓住机遇、加快创新，打好种业翻身仗，从而实现种业的跨越式发展。”

基因编辑又称为基因组编辑或基因组工程，是一种新兴的比较精确地能对生物体基因组特定目标基因进行修饰的一种基因工程技术。医疗和农业是基因编辑的两大重要应用领域。在农业方面，世界各地的研究人员利用植物和动物的基因测序来研究不同物种的基因组，进行农作物全品种基因测序推动农业发展，增加作物产量。基因编辑技术不仅可以突破传统育种难以解决的遗传障碍，而且能实现特定性状的精准改变，颠覆已有动物遗传改良技术路径和选育效率。伴随着基因编辑技术的不断改进及其在动植物上的广泛应用，农业领域的颠覆性变革在悄然进行。

早在2013年，以CRISPR/Cas9系统为标志的第三代基因编辑技术就取得了决定性突破，打破了常规育种瓶颈，成为基因编辑主流技术。2020年10月7日，瑞典诺贝尔奖委员会宣布，将2020年的诺贝尔化学奖授予法国女科学家埃玛纽埃勒？沙尔庞捷和美国女科学家珍妮弗？道德纳，以表彰她们研发了基因编辑技术CRISPR-Cas9。关于基因编辑技术的基本原理，据中国科学院上海植物逆境生物学研究中心主任、美国科学院院士朱健康介绍，以CRISPR-Cas9技术举例，CRISPR像一把“基因剪刀”，而Cas9及其他的Cas酶是能够剪切DNA的内切酶。“这把‘剪刀最大的神奇之处在于，你让它剪什么地方就可以剪什么地方，可以精准定位。当基因被‘剪断后，细胞会修复断口并产生变异，让基因失活，从而不起作用。”朱健康说，99.9%的基因编辑都是以“做减法”的方式进行，简单的做减法就培育出高产、优质、抗病的品种。此外，朱健康还表示，CRISPR-Cas9技术的专利目前掌握在国外科学家手里，我国的科研人员在使用这一技术进行基因编辑时确实存在“卡脖子”的风险，但同时也是可以解决的。除了专利属于国外的CRISPR-Cas9技术以外，还有Cas12a、Cas12b、Cas12i、Cas12j、Cas14等技术，这些技术都可以绕过Cas9。“特别是Cas12i、Cas12j，这两项中国的技术很快会有专利授权，这样就不需要依靠国外的Cas9专利，为解决生命科学领域的‘卡脖子问题奠定了稳固的基础。”朱健康说。

需要注意的是，基因编辑与转基因技术都对生物体的基因造成了改变，但二者有明显的不同。中国科学院院士、中国科学院遗传与发育研究所研究员李家洋对基因编辑与转基因技术的区别作了界定。据李家洋介绍，基因编辑把转基因育种技术中为大家所担心的部分，即在基因组中插入外源基因这一环节给取消了，而是直接对生物体的基因进行一定的改变。李家洋以修改文章作类比称，“在修改的时候，如果把一大段话插入文章，就是转基因，而基因编辑相当于只对一个或少数词做了修改。”李家洋说，这种修改对文章总体结构没有大的影響，但文章关键部分的意义却不一样了。在生物育种技术中，诱变育种、杂交育种、分子标记辅助选择育种以及转基因育种都是2.0或3.0版本的技术，基因编辑技术才是当前最高的技术水平，也是全球育种业正在竞争的制高点，应该称为现代育种技术的“4.0版本”。

中国工程院院士、中国农业科学院副院长万建民认为，生物育种成为推动现代农业发展新引擎。生物育种是种业创新的核心，构建现代生物育种创新体系，强化种质资源深度挖掘，突破前沿育种关键技术，培育战略性新品种，实现种业科技自强自立，是解决“种源”要害、打赢种业翻身仗的关键，是牢牢把握住粮食安全主动权的根本保障。

农业农村部科技教育司二级巡视员张文表示，当前，以全基因组选择育种、转基因技术、基因编辑等为代表的生物育种技术已成为国际育种的前沿和核心，正在蓬勃迅猛发展。发达国家在加强生物育种技术创新、加大新品种研发力度上不断加码积极布局，抢占国际市场先机，生物育种技术已经成为世界上许多国家抢占科技制高点、增强国际竞争力的战略重点。

我国基因编辑技术育种的研究

基因编辑技术在近几年来发展迅速。目前基因编辑技术中CRISPR/Cas9系统已经应用于许多植物上，包括水稻、玉米、大豆等。李家洋表示，中国在植物科学和作物科学的基础研究方面的实力是非常强的，很多方面跟国际先进水平差距不大，水稻方面更是世界领先。我国基因编辑领域的发展很快，特别是在植物基因编辑技术方面有很多专利，这在一定程度上能给予农业生物育种技术支撑。目前，我国已在水稻、油菜、柑橘等作物的品种研发中开展了基因编辑技术研究。

在水稻方面，中科院亚热带农业生态研究所、湖南杂交水稻研究中心，以及华中农业大学等单位合作，成功克隆了一个水稻耐寒基因，研究人员利用对寒冷敏感的籼稻品种“特青”和耐寒的温带粳稻品种“02428”所构建的重组自交系群体，获得了一个耐寒基因QTL-HAN1，利用基因编辑手段敲除HAN1基因后成功提高了受体的耐寒性。HAN1基因的克隆、功能和自然变异研究有助于理解粳稻在向北扩展和驯化的过程中对寒冷环境的适应机制，更为提高水稻的耐寒性提供了有效的途径。该研究成果于2019年2月11日在PNAS上在線发表。

福建农科院王锋团队和厦门大学陈亮团队利用CRISPR/Cas9基因编辑技术成功培育出了富含原花青素和花青素的红稻，研究人员选取了3个白色籽粒栽培稻作为改良对象，包括粳稻品种秀水134、籼稻恢复系蜀恢143和籼稻光温敏核不育系智农S，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术将原本移码突变的rc位点转换成了正常编码的Rc基因，为培育富含原花青素和花青素的红稻品种提供了新的方法。该研究成果已于2019年4月在Plant Biotechnology Journal上在线发表。

2019年11月，2019中国农业农村科技发展高峰论坛发布了《2019中国农业科学重大进展》，其中就包括发现了水稻自私基因。该研究由中国农科院作物科学研究所万建民团队和南京农业大学等单位主导，通过图位克隆、分子遗传学方法和基因编辑技术，发现了控制水稻杂种育性的是自私基因，阐明了籼粳杂交一代不育的本质，为创制广亲和水稻新种质、有效利用籼粳交杂种优势提供了理论和材料基础。

在其他作物方面，2020年3月，浙江大学和德国基尔大学育种研究所的科学家团队在《植物生物技术》上在线发表了关于利用基因编辑技术敲除SFAR基因以提高油菜种子含油量的研究成果。研究人员在油菜基因组中筛选鉴定到12个降低种子含油量的SFAR同源基因，并利用870份油菜品种的重测序数据，对鉴定的12个SFAR同源基因进行了SNP扫描，进而选取了2个BnSFAR1基因和4个BnSFAR4基因，筛选出EMS突变体库中的相关材料，同时通过CRISPR/Cas技术获取SFAR基因敲除材料。对这些突变体材料后代的表型分析发现，多基因敲除的种子含油量得到提升，而单基因突变材料的种子含油量差异不明显。这些结果也证明了多基因敲除是研究多倍体物种基因功能的有效方法。这项研究为多倍体油料作物中SFAR参与的脂肪酸降解及种子含油量降低提供了一些参考，为高含油量油菜育种开辟了一条新途径。

2020年5月，中国科学家团队在《自然？通讯》上在线发表了一项研究成果，系首次破译同源四倍体紫花苜蓿基因组并建立基因编辑育种体系。研究人员解析了我国地方特有品种“新疆大叶”紫花苜蓿的四倍体基因组，成功将四倍体基因组组装到32条染色体上。在此基础上，进一步开发出了基于CRISPR/Cas9的高效基因编辑技术体系，成功培育出一批多叶型紫花苜蓿新材料，其杂交后代表现出稳定的多叶型性状且不含转基因标记。

在其他植物品种方面，华中农业大学邓秀新和徐强团队完成了对金柑（Fortunella hindsii）的基因组测序和基因编辑应用，认为金柑可作为柑橘遗传学和基因功能研究的模式材料，研究人员总结了近10年来对金柑这一中国特有柑橘种质资源的系统性收集、评价和利用，通过连续自交，获得了一个373Mb的金柑参考基因组。同时，研究人员首次在金柑上验证了CRISPR/Cas9基因编辑系统，为柑橘的遗传改良和育种奠定了坚实的材料基础。该研究成果已于2019年4月在Plant Biotechnology Journal上在线发表。

2020年8月，中国和荷兰科学家团队在《新植物学家》上在线发表了一篇关于合作研究发现基因编辑技术可从植物和微生物两方面进行植物性状遗传改良，研究人员通过基因编辑技术改变植物乙烯合成基因ETO1或微生物基因acdS，实现了相同的植物表型，即乙烯合成量增加和微营养素含量增加。研究结果表明，相似的植物表型可以由植物相关微生物的特定突变或植物基因组的改变产生。因此，在应用植物全基因组定向编辑技术改良植物性状的应用中，应综合考虑植物和微生物的特性以及相互作用，来培育更好的作物。

基因编辑作物的产业化问题

据美国Kalorama Information公司估计，2025年基因编辑及其相关供应市场规模有望突破50亿美元。尽管随着人们逐渐对基因编辑和转基因技术认知增多，基因工程技术产业化也与市场需求结合紧密，产业化前景诱人。

近年来，国际种业巨头持续加快在中国本土深耕布局，控制我国种业市场来势凶猛。包括全球种业前十强在内的70多家国际种企进入中国，大批“洋种子”渗透到我国田间地头。根据《2019年中国种业发展报告》，2018年我国进口农作物种子7200余万公斤，进口额4.75亿美元，其中蔬菜种子进口额2.28亿美元，来自近50个国家和地区。辣椒、洋葱、胡萝卜、茄子、番茄、马铃薯、西兰花这些老百姓餐桌上最常见的蔬菜，不少都是“洋种子”长成的，甚至有的基本上全部依赖进口。“洋种子”之所以能够在我国种业市场“大行其道”，很大一部分原因在于用其种出来的作物，在产量、抗病性、品相、口感等方面比国产种子更具优势。

转基因商业化在我国一直是一个舆论热点，当前公众对转基因一直怀有安全担忧。而基因组编辑将以何种方式管理，则直接决定着它如何商业化。一位研究转基因育种的科学家表示，目前国内观点分为两派，一派认为基因编辑产品应该等同普通产品来管理；另一派则认为应该与转基因产品统一管理。

对于舆论担忧的安全问题，中国科学院遗传与发育生物学研究所植物细胞与染色体工程国家重点实验室副主任、研究员高彩霞表示，“CRISPR这把化学剪刀用作编辑基因序列的工具是很容易分离出去的，在CRISPR完成剪刀作用后，我们可以不让它滞留，这样它就不能整合到我们的目标DNA里面，也就不会留存在作物中了，就好像碱基错了，我拿橡皮把它擦掉，然后用铅笔重写，写完后橡皮和铅笔都是不存在基因组里的。”2020年11月，高彩霞在“2020研究前沿发布暨研讨会”上表示，与其他育种方式相比，基因组编辑需要的时间短很多。“培育一个新品种，杂交育种和诱变育种都需要8—10年，转基因育种需要8—12年，而基因组编辑技术只需要4—6年。”

目前，美国对基因编辑的油菜、高油酸大豆、抗氧化蘑菇、糯玉米等作物都下达了转基因监管豁免权，将大多数基因编辑作物作为常规植物进行监管。日本、芬兰、瑞典、俄罗斯、巴西、阿根廷等许多国家，也将基因编辑植物产品列为非转基因产品管理。与之相反，欧洲许多国家则认为基因编辑产品应该视作转基因产品来监管。

我国正在研究如何监管基因编辑作物。今年1月，农业农村部印发了关于《2021年农业转基因生物监管工作方案》的通知，提出既要加快推进生物育种研发应用，又要依法依规严格监管，严肃查处非法制种、知识产权侵权等违法违规行为，保障农业转基因研发应用健康有序发展。明确指出对农业转基因研发单位全覆盖检查，严查中间试验是否依法报告，环境释放和生产性试验是否依法报批，基因编辑等新育种技术研究、中外合作研究试验是否依法开展。对农业转基因试验全程监管，试验前核查控制条件是否合规，试验中检查控制措施是否落实到位，以及试验材料可追溯管理情况，试验后检查收获物、残余物等管理情况。

全国政协委员、中國科学院院士曹晓风表示，尽管国家在这一领域投入了大量资金，国内科研人员的成果也位居世界前列，我国的基因编辑作物的商业化依然为“零”。曹晓风表示，在中国科学院先导计划和国家转基因重大专项支持下，我国的农作物基因编辑研究成果处于国际第一方阵，还培养了大量的优秀科技人才。接下来要考虑的，就是如何把这些基础研究成果真正应用于农业生产。

对此，曹晓风提出，进一步加大种业相关的基础研发和技术创新投入，加强基因编辑的相关基础理论研究，加强生物育种技术探索，掌握基因编辑关键技术和重要性状基因的知识产权。与此同时，加快建立监管基因编辑产品的政策及法规，对基因编辑改良获得的“新”品种实行登记制度，对可能带来的风险进行重点评估，简化审批流程，推进产业化进程。此外还有很重要的一点，就是建立基因编辑技术产品的种业标识制度，规范种业技术转让市场和知识产权保护机制。

曹晓风连续几年在全国“两会”上提出，加速基因编辑技术花卉、牧草和果蔬等重要经济作物上的应用研究和产业化，对基因编辑技术得到的作物新品种，应当有别于转基因作物的管理标准。曹晓风建议，除了水稻和小麦等一部分重要农作物继续按当前政策管理外，可以适当放开对基因编辑育种新品种的登记制度，加快这些新品种的审（认）定程序并许可规模化推广应用。

“我国应该抓住这次生物技术革命的契机，掌握更多分子育种核心技术的知识产权，让生物技术更好地服务于农业、农民和消费者，使其在推进农业现代化中发挥更大的作用。”曹晓风说。