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基因编辑技术在水稻育种中的应用

时间:2021-08-20 10:31 来源:未知

基因组编辑技术CRISPR/Cas9被《科学》杂志列为2013年年度十大科技进展之一,受到人们的高度重视。2020年10月,德国马克斯-普朗克病原学研究所的Emmanuelle Charpentier博士以及美国加州大学伯克利分校的Jennifer A. Doudna博士因在CRISPR-Cas9基因编辑方面做了的贡献荣获2020年诺贝尔化学奖。

据科普中国平台专家介绍,转基因技术是做“加法”,将外源基因通过技术手段,对目标物种的基因进行改造。有别于转基因技术,基因编辑通俗来说是做“减法”,主要是对目标物种/受体体内原有的内源基因进行基因工程操作 (敲除、修饰),是特异的和可控的。基因标记是对自身的基因进行精准的修饰,等同于传统育种,不含外源基因。

CRISPR是规律间隔性成簇短回文重复序列的简称,Cas是CRISPR相关蛋白的简称。CRISPR/Cas最初是在细菌体内发现的,是细菌用来识别和摧毁抗噬菌体和其他病原体入侵的防御系统。利用CRISPR/Cas9等基因编辑技术制作基因编辑动物/植物,通过基因敲除和单碱基替换,只对本身基因进行加减法和替换,没有带入外源基因,理论上不会增加额外风险。改造目的基因的同时或许会影响其他基因的表达,有可能表达出来新的蛋白,所以基因编辑动植物在投入市场之前,需要按照国家相关要求进行安全评估。

基因编辑技术一经问世,就引起了科学界的轰动,有巨大的想象空间和应用场景。在农业方面,基因编辑可以对动植物进行改造,提高生产性能和产品质量,如可以培育生长速度快、营养价值高、环境友好和抗病动植物的新品系,推动基因编辑动植物上市,占领经济主战场。在医学方面,通过基因编辑对动物进行致病基因改造,为人类疾病提供动物模型,进行疾病研究和治疗手段开发,服务于人民生命健康,也可以利用基因编辑动植物来建立生物反应器,生产用于治疗人类疾病的生物材料和生物活性产品。

近年来,运用CRISPR/Cas9技术在水稻创制的水稻新材料如雨后春笋般涌现。这一技术为我们从基础研究到生产应用的衔接提供了桥梁,能做到精准育种,精准营养。更重要的是,CRISPR/Cas9技术在水稻中的应用具有很强的实用性。例如,针对水稻抗病性的研究和产量方面的研究。关于水稻产量方面,此前的研究显示采用CRISPR/Cas9系统同时对GS3、GW5、TGW6的编辑,能够导致谷粒重量显着增加。最近朱健康院士团队,又成功利用CRISPR/Cas9基因编辑技术来编辑ABA受体基因,从而提高了水稻的产量。

米饭的软硬度是由稻米中直链淀粉的含量决定的,直链淀粉含量越高,米饭口感越硬,反之,直链淀粉含量越低,米饭口感越软。南方籼稻直链淀粉含量一般在 25%,口感较硬;北方粳稻直链淀粉含量一般在 15%–17%,口感适中;糯稻直链淀粉含量一般在 2%,口感最软。直链淀粉含量的高低主要受淀粉合成酶 Waxy 基因调控。自然界中因为该Waxy 基因发生了自然突变而产生不同种类的水稻 (包括籼稻、粳稻和糯稻),其中粳稻中 Waxy 基因功能被弱化,糯稻中 Waxy 基因功能基本丧失。我们利用基因编辑技术将籼稻品种中的 Waxy 基因敲除,其稻米的直链淀粉含量即可降至糯稻的水平;但将籼稻品种中的 Waxy 基因进行弱化编辑,其直链淀粉含量即降至17%左右和10%左右。所以,我们可利用基因编辑技术修饰 Waxy 基因,从而获得直链淀粉含量适中、口感较好的水稻品种,最终满足人们对优质米的需求。基因编辑技术还可以对水稻的产量、营养品质、抗性等许多性状进行高效的改良。这些利用基因编辑技术创建的新种质与自然突变品种具有实质等同性,因此是安全的。

随着CRISPR/Cas9基因编辑技术的飞速发展,人们变得越来越关注这一技术的伦理和社会影响。在农业应用方面,因为农业产品尤其是作物往往很少涉及伦理问题,但是监管方面的争论仍然十分的激烈。目前美国、加拿大、澳大利亚、日本、阿根廷、巴西、智利、以色列、瑞典和法国等多个国家已将基因编辑 (没有导入外源基因) 作物视为非转基因生物,在管理政策上实行可以开放应用。但对于导入外源基因的基因编辑生物的管理政策还是视同于转基因生物。日本之前对转基因生物的管理政策相对保守,但现在对于基因编辑产品更加开放,与转基因产物区别对待。欧盟和新西兰将基因编辑作物视为转基因生物,在管理政策上实行监管。中国目前尚未出台专门针对基因编辑生物的管理政策,国内有些科研单位开发的基因编辑作物也只能按转基因生物安全管理办法的程序申请安全评价的审查。本领域的科研工作者也一直非常关心何时我国可以出台针对基因编辑产品的管理政策。

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