我國科研人員研制新型基因編輯工具
讓作物育種更精準高效(科技視點·種業科技自立自強⑤)
本報記者 谷業凱
你見過維生素C含量能與狝猴桃媲美的生菜嗎？在海南省崖州灣種子實驗室里，“高維生素C”生菜長勢喜人。這種通過基因編輯技術培育的生菜新品種，其維生素C含量與狝猴桃不相上下。
在植物細胞合成維生素C的過程中，有2個基因起著關鍵作用，即維生素C合成的限速酶。南方科技大學教授、中國農業科學院生物產業前沿技術創新中心主任朱健康帶領科研團隊，對生菜中這2個基因的上游表達調控元件進行精準編輯，使這些生菜的維生素C含量得到顯著提高。
榮獲2020年諾貝爾獎的基因編輯技術，被譽為21世紀生命科學的革命性突破，已在許多國家得到應用，在科研、農業、臨床醫學等領域顯示出廣闊前景。神奇的“基因剪刀”如何實現品種改良？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，有助于培育產量更高、質量更好的作物
基因是具有遺傳效應的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、產量高低、能否抗倒伏等。
據朱健康介紹，基因編輯與傳統育種技術最終的結果是相似的，即引入人類需要的遺傳變異。按照傳統的育種方法，改良一個品種可能需要幾年甚至幾十年的時間，這是因為傳統育種技術創造的各種變異是隨機的、不可控的。“拿雜交育種來說，要經過多代篩選，遇到一個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，科學家想方設法地來創造遺傳變異，比如太空育種，就是利用太空特殊的環境誘變作用來使種子產生變異。”朱健康說。
基因編輯的出現，讓更加精準的基因調控成為現實。“基因編輯是改變目標基因序列的技術，如同對文本進行修改一樣，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’。”朱健康解釋說，基因編輯可以精準定位作物的特定基因，基因被“剪斷”后，細胞就會修復斷口并產生變異。利用基因編輯技術，改良作物的某個基因只需很短的時間，一次最多可以調控多達幾十個基因。
朱健康告訴記者：“已有的研究表明，基因編輯技術可以精確、快速地生成作物改良所需的基因突變，幫助培育出產量更高、更有營養、更耐受極端天氣、需要更少化肥和農藥的作物。現在，基因編輯工具不僅可以用于去除或減弱不利于農藝性狀的基因，還可以增強眾多對農作物有益的基因。”
基因編輯過程中，找到自帶“導航系統”、能精準定位的基因編輯工具至關重要。CRISPR/Cas9技術就是近年來備受關注的“基因剪刀”，它構成簡單、編輯效率高且易操作，能對生物本身基因進行定向改造。“這項技術的應用非常廣泛，并且在應用的過程中，這把‘剪刀’打磨得更加鋒利了。”朱健康表示。
2018年，中國農業大學教授賴錦盛在噬菌體中發現了兩個新型基因編輯工具CRISPR/Cas12i、CRISPR/Cas12j，與CRISPR/Cas9相比要小，在緊湊的蛋白質支架中保留了精確基因組編輯的關鍵功能，在植物基因編輯過程中具有較好應用前景。
此后，朱健康帶領團隊與之合作，共同進行后續開發。2019年，兩個新型基因編輯工具申請原創專利；2020年，團隊成功驗證其在植物穩定轉化體系中的編輯活性；2021年3月，兩個新型基因編輯工具正式獲得專利授權。
圍繞產業開展科研
成功開發了20余種作物的基因編輯體系，開展了百余項產品的儲備布局
位于濟南的山東舜豐生物科技有限公司的“快速育種植物工廠”里，經過基因編輯的作物琳瑯滿目：這里有高產水稻、矮化的抗倒伏高產玉米等主糧作物；有淀粉品質改良的玉米、水稻、馬鈴薯等特色專用種質；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。
舜豐生物是國內第一個精準基因編輯工程化研發平臺的運營主體。這家由朱健康團隊領銜創建的高新技術企業，對兩個新型基因編輯工具進行挖掘和深度優化，圍繞基因編輯卡脖子技術、共性關鍵技術進行了系統的專利布局，已申請專利130余項，其中PCT專利26項，已獲得17項專利授權。目前，舜豐生物已成功開發了20余種作物的基因編輯體系，開展了百余項產品的儲備布局。
“我們把新型基因編輯工具用好，最終的目標還是應用到作物育種中去，而不是只停留在學術研究層面。”朱健康坦言，在研發初期，團隊的很多成果并沒有發表。“我們開發這個技術，不是奔著發文章去的，而是推動產業化，形成市場化的運作機制，有效激勵科研人員攻克關鍵核心技術，做出符合市場需求的產品。”
“要圍繞產業需求做有用的科研。”這是舜豐生物總經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業生產一線，收集共性需求。李峰舉例說，在矮化抗倒伏高產玉米培育過程中，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，形成了一系列的應用方案。比如，我國東北地區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用場景。”
目前，舜豐生物搭建了8000多平方米的技術平臺、2.2萬平方米的研發中心，規劃建設10萬平方米的基因編輯產業化基地。這里還擁有基因編輯底層技術研發平臺、基因編輯產品工程化開發平臺、高通量種質資源創新培育平臺、植物基因編輯中試熟化平臺。這里設置了由分子部、遺傳轉化部、性狀部、育種大數據部組成的技術中心，以產品研發部、技術研發部、檢測事業部組成的研發中心，以種業產業鏈為布局的產業發展中心，匯聚了240多位生命科學各領域的科研人員。
“產學研用緊密結合是推動基因編輯育種向產業化邁進的關鍵。”舜豐生物項目總監牛小牧博士認為，為了建立健全產學研用體系，公司與高校院所廣泛開展合作，引進一批客座教授團隊并聯合培養研究生，形成科研合力，共同促進基因編輯的產業化應用。
產業化迎來新機遇
農作物基因編輯研發、應用有了更明確的規范，強化了我國基因編輯技術應用的制度保障
基因編輯技術是打好種業翻身仗、帶動種業發展的新引擎，也是提升我國種業競爭力的利器。今年1月，農業農村部發布了《農業用基因編輯植物安全評價指南(試行)》(以下簡稱《指南》)，我國農作物基因編輯研發、應用有了更明確的規范，強化了我國基因編輯技術應用的制度保障。
《指南》明確，對未引入外源基因的基因編輯植物，依據可能產生的風險申報安全評價。“這將有助于我國構建起更加精準高效的生物育種技術體系，基因編輯育種技術研發與產業發展，也將迎來新的機遇。”朱健康表示。
牛小牧說，《指南》的發布，使公司更有信心了。下一步，他們將加快推進生物育種產業布局，持續進行生物育種技術攻關，不斷深挖市場需求，與下游種業、農化及生物技術企業形成合力，實現產業鏈上的優勢互補，推進基因編輯技術的產品儲備布局。
朱健康家鄉在安徽農村，是糧食的主產區。少年時代，朱健康的理想很簡單：考上大學，吃上商品糧，不給家里添負擔。“父母現在干不動農活了。他們會經常問我，搞科研幾十年下來，究竟做了些什么？我說發了多少文章，他們也聽不大懂，我就一直覺得自己沒做出啥東西來。”朱健康說，“把基因編輯技術做好，讓我的父母高興，讓廣大的農民獲益，是我最大的愿望。”