农业育种基因编辑竞争白热化

7月14日，农业农村部基因编辑创新利用重点实验室（海南）在三亚崖州湾科技城揭牌成立。该实验室将聚集中国农业科学院基因编辑优势科研力量，助力我国在农业基因组编辑核心技术研究领域抢占国际制高点，全面提升我国生物种业原始创新能力和国际竞争力，为保障国家种业和粮食安全提供坚实保障。

据介绍，基因編辑技术是具有颠覆性、引领性的生物育种前沿技术。该技术应用前景广阔，已成为国际生物种业竞争的焦点。截至目前，美国、日本等国家已累计批准150多种基因编辑农产品进入商业化生产。我国在农作物及农业动物等基因编辑技术体系研发和应用等方面取得一系列重要研究进展，处于国际领跑或并跑地位，为农业领域基因编辑工具研发和应用奠定了良好基础。但是，我国农业基因编辑领域在原创性研究方面仍有差距，尚未完全突破基因编辑工具的原始核心专利。

为推进基因编辑工具和技术原始创新及其在重要农作物、农业动物等农业生物中的开发利用，突破“卡脖子”技术，并进一步支持南繁硅谷建设，农业农村部批准中国农科院南繁育种研究中心建设农业农村部基因编辑创新利用重点实验室（海南）。

今年2月22日，2022年中央一号文件发布。文件中提出，要大力推进种源等农业关键核心技术攻关。如何打好种业翻身仗，培育出高产、优质、抗病的农作物品种，是摆在科研人员面前的一道道课题。

日前，《自然》杂志在线版报道了中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞课题组和微生物研究所邱金龙课题组的研究成果，他们通过基因编辑技术，研发出一种新的小麦突变体Tamlo-R32，该突变体对白粉病具有强大的抗病能力，且没有任何产量缺陷。这一成果标志着利用感病基因培育抗病植物的方式取得了重要的理论和技术突破，也意味着号称小麦三大病害之一的白粉病终于被我国科学家“拿下”。

科学家为什么要进行基因编辑，神奇的基因“剪刀”如何实现物种改良，基因编辑产品已经上市了吗？

神奇“剪刀”实现物种改良

“基因编辑技术来源于国外，如今，中国科学家正在把基因编辑技术发扬光大，甚至已实现弯道超车。”江苏省农业科学院种质资源与生物技术研究所所长赵涵告诉记者。

为什么要进行基因编辑？赵涵解释，在过去，人们为了提高某一农产品产量，往往会对这一物种进行长期驯化，将一些优质基因聚合在一起进行优中选优，经过漫长的育种阶段后形成优质品种。“这样的杂交选择过程十分漫长，动辄10年以上，以玉米为例，玉米一年成熟一次，如此一来，10年才能做10次杂交。”赵涵说，随着对基因研究的深入，科学家们发现了快速干预基因的方法。如今，通过基因编辑手段，可以迅速改变农作物基因。

基因编辑像一把基因“剪刀”，可以精准定位作物的特定基因。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。目前全球范围内应用的基因编辑主要是“做减法”，也就是让自身的一些不利基因失活，培育出高产、优质、抗病的品种。

“此次中国科研团队研发出的小麦突变体Tamlo-R32，就是使用基因‘剪刀将小麦白粉病基因敲除掉的同时，还补上了性状良好的基因。”赵涵告诉记者，这一动作看上去简单，实际上比较复杂。基因有着“抱团”的特征，往往“牵一发而动全身”。在以往的实验过程中，很多科学家发现，虽然敲除小麦白粉病基因能够抗病，但是却伴随着小麦的农艺性状变差，如植株变矮、产量变低等情况。“而中国科学家此次的突破在于，在敲除白粉病基因的同时，还加了一个‘补丁，保证了小麦良好性状恢复，是巨大的技术突破。”当然，这次突破不仅仅局限于小麦。赵涵以常年研究玉米育种为例，基因编辑控制同样可用于玉米基因的敲除。

需要注意的是，基因编辑并不是万能的，需要具备一定的前提条件。赵涵介绍，对基因编辑前，首先要了解某一基因的功能是什么。“坐落于江苏省农科院的江苏省中期种质资源库中，就有很多各式各样的种子。我们会通过对这些种子的优良基因进行挖掘、定位、评价，进行统计基因分类，寻求优秀基因，为基因编辑提供样板。”赵涵坦言，当前，科研人员大量工作仍在基因挖掘阶段，这也是基因编辑工作最大的难点之一。

那么，转基因农产品和基因编辑农产品是一回事吗？赵涵表示：“转基因是一种外源性改造方法，也就是‘做加法，是将外部基因转移进目标农作物内进行改造。基因编辑则是内源性改造，指使用工具剔除某个基因。这是两个完全不同的概念。”

进入精准编辑时代

“基因编辑技术具有设计简便、效率高、成本低等特点，在动植物遗传改良等领域得到迅速应用。经过多年的技术演进，基因编辑技术已进入精准编辑时代。”南京农业大学教授、博士生导师李超表示。当前，南京农业大学已经利用基因编辑技术对水稻、大豆、小麦、番茄、草莓、菊花等作物进行了遗传改良。

如何通过基因编辑进行品种改良？李超以最新的CRISPR技术编辑水稻为例。在进行基因编辑时，科研人员首先会选取需要编辑的一段基因，即“靶基因”，之后利用农杆菌或基因枪，将基因编辑组分Cas9和sgRNA（注：含有一小段靶基因的序列）递送到水稻愈伤组织（注：来源于水稻成熟或未成熟的种子）体内，Cas9在sgRNA引导下就会对靶基因进行定点修饰，使靶基因的功能发生改变。经过组织培养，愈伤组织会再生出被编辑过的水稻幼苗（周期约为3个月）。这时，当代水稻植株就可以观察到因为靶基因功能改变而获得的新性状，即实现品种改良。

基因编辑技术具有设计简便、效率高、成本低等特点，在动植物遗传改良等领域得到迅速应用。经过多年的技术演进，基因编辑技术已进入精准编辑时代。

同样，对玉米胚芽的基因编辑有相似的过程。赵涵介绍，在进行基因编辑时，首先需要将成熟玉米籽粒内的胚芽挑出来，放在培养基内形成一团愈伤组织，在这团愈伤组织内会产生细胞的分化。接下来，将携带基因编辑工具的农杆菌侵染玉米胚芽的愈伤组织，随后，将愈伤组织埋进土壤中，等待其生根发芽变成一棵小苗，再通过筛选确定基因编辑工具已存在于这棵小苗内，最后将植株种到大田中生长。

在进行对动物的基因编辑时，科研人员会使用显微注射技术直接将基因编辑工具导入动物细胞，看上去简单快捷。那么，植物为何不使用这种手段？赵涵解释，植物有细胞壁，而动物没有细胞壁，动物的卵细胞比植物细胞大得多，所以对植物细胞进行基因编辑时一般使用的是细菌侵染手段。在对玉米进行基因编辑时，农杆菌就称得上是基因编辑工具“搬运工”。

李超告诉记者，基因编辑的难点在于DNA大片段的精准替換、插入或删除，也是我们获得高产、抗病虫、优质、高肥效的新品种最迫切需要的基因编辑技术。此外，由于遗传转化效率的限制，能被基因编辑的作物品种只占少数。因此，破解不依赖遗传转化的基因编辑技术，对基因编辑育种的广适性、简便性、高效性等都非常重要。与此同时，基因组中仍存在大量难以被现有基因编辑工具精准靶向的区域，拓展现有基因编辑工具可选择的靶点范围，将有望突破这一技术上的局限，进一步释放基因编辑工具的应用潜力。

国家级指南出台

全球范围内，基因编辑已经在水稻、玉米、大豆、小麦和番茄等农作物以及猪、牛、羊等农业动物中广泛应用，糯玉米、高油酸大豆、抗褐变马铃薯、高GABA番茄、抵抗褐变的蘑菇等基因编辑产品陆续在美国、日本等国家上市推广。此前，由于我国尚没有明确的监管政策出台，并没有基因编辑产品走向市场。

基因编辑技术的发展，是打好种业翻身仗、带动种业发展的新引擎，也是提升种业竞争力的利器。利好的是，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》）。对此，赵涵表示，《指南》的出台，进一步规范了植物基因编辑的安全评价管理，基因编辑产品制作流程将会更加规范，更加符合安全标准。“在此之前，社会上有部分植物基因编辑工作处于‘真空地带，产品能否流入市场并没有明确说法，现如今，有了条例和规范，生物安全性可以得到有效保证，农业科研工作者也可以放心大胆地做研究。”

在李超看来，《指南》的出台，无疑让基因编辑产品走向商业化迈出了一大步，为我省基因编辑作物新品种安全评价指明了方向，给后续新品种的产业化开了一个好头，使基因编辑真正走向了实际应用领域。“我们应该利用政策优势，加大基因编辑新技术研发的投入，加快基因编辑新品种的培育，加大知识产权和作物新品种权的保护力度，让农民增收、作物增产、粮食安全‘压舱石更稳固。”

在保护基因编辑农作物知识产权方面，李超建议，基因编辑农作物知识产权应注重保护原始品种产权、基因产权、技术产权和基因编辑新品种权等多个方面，尤其是推广实质性派生品种时，要获得原始品种所有人的授权，如此一来，将形成有利于原始创新的氛围。此外，也要避免过于严苛的限制阻碍技术的前进脚步。

“基因编辑作物的商业化有无限的想象空间和价值，我们应该继续加大基因编辑技术研发的投入，对优秀的中青年科学家进行长期稳定的经费支持，同时也要允许失败，鼓励科研人员进行‘高风险、高收益的原创探索，摆脱基因编辑技术‘卡脖子现象。”

◎ 来源|综合新华日报、新华网