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基因编辑作物在中国该如何监管

2018-04-13 09:02:16 来源: 科技日报 作者:

知识分子

邸利会

3月28日,美国农业部部长Sonny Perdue在一项声明中说,一些基因编辑的作物将不受监管。2016年以来,美农业部就放行了一些基因编辑的作物,这次表态可以说进一步确认立场。

对基因工程包括转基因的监管,美国大体针对产品而非技术。这一策略保证了其农业的全球领先地位。目前看,在基因编辑技术为作物育种带来革命性变化的今天,美国将继续引领世界;相较之下,欧洲和中国已然落后。

广谱抗白粉病小麦:中国学者变不可能为可能

2014年7月,中科院遗传所高彩霞和微生物所邱金龙课题组合作的研究发表在Nature Biotechnology上。他们创制了一种新型的小麦品种广谱抗白粉病小麦,对白粉病具有广谱和持久的抗性。说来也简单,他们只是在小麦基因组的170亿个碱基中精确地删除了某几个。这在以前是没办法做到的。

“小麦是六倍体(AABBDD),在普通小麦A、B、D基因组上MLO基因各有一个拷贝,我们利用基因组编辑技术首次对这三个拷贝同时进行了突变,获得了对白粉病有广谱抗性的小麦。”邱金龙说。

通过这一实验,他们还明白了为什么小麦不会通过天然突变获得和大麦一样的广谱抗性。在实验中,他们获得了35个MLO基因的突变体,有单拷贝、双拷贝,也有三拷贝的突变。他们将这些突变体进一步自交,获得了MLO基因不同组合的纯合突变体后代(aa, bb, dd, aabb, aadd, bbdd, aabbdd),才发现只有aabbdd,也就是MLO基因在小麦A、B和D基因组上的三个拷贝同时突变的植株才有广谱抗性。

“大麦是二倍体,小麦是六倍体,每个基因组有三个拷贝,就有六个等位基因。自然状态下,六个等位基因同时突变的几率几乎是零,这就是为什么不存在天然突变的MLO广谱抗白粉病的小麦。”邱金龙说。

业内称基因编辑为“类天然突变”

基因编辑技术得益于几种核酸酶的设计与使用。这些核酸酶的共同特点是,它们可以在你想要的DNA位点处产生双链断裂,可以理解为“指哪打哪”。随后,细胞内的固有修复机制被激活,对损伤处产生有效的基因修改。

细胞内对DNA双链断裂的修复有两条途径:一种叫非同源末端连接,简称NHEJ;另一种叫同源重组,简称HR。相比较,NHEJ是主要的修复机制,通常带来的是少量碱基的丢失,很少情况下也会有碱基插入。NHEJ实现起来相对简单,成为研究基因功能的良好手段。

基因敲除后的突变体,只是缺失了几个碱基,和自然突变以及用化学试剂、X-射线等人工诱变产生的突变体没有区别。“这也给检测带来了困难,因为二者很难做出区分。”清华大学教授谢震说。

对于上述基因敲除的蘑菇、玉米,美国农业部已经表示不在其监管范围之内。

“我们把它们称之为类天然突变。”邱金龙说。实际上,不仅最终产品与常规育种类似,运用基因编辑技术还更精确、简单、直接;而传统的杂交往往导致基因组大片段的交换,即使是诱变育种也导致随机的几千个突变,需要大规模的后代筛选,费时费力。

不仅产品,过程亦不涉及转基因

当然,细究广谱抗白粉病小麦的创制过程也并非“无懈可击”。核酸酶是蛋白,如果该蛋白的编码DNA,或者连同携带这段DNA的质粒导入了植物细胞,随机整合进入植物的染色体中,那也是有外源DNA的插入了。

一个解决办法是,在核酸酶表达和植物生成之后,进一步筛选把含有重组DNA的植物去除。能做到这点缘于起初设计的两个位点并不挨在一起。这两个位点,一个是插入核酸酶的编码DNA的位点,另外一个是核酸酶的作用位点。这两个位点离得较远,即使核酸酶的编码DNA整合到了植物的染色体中,之后也可以通过回交分离,留下仅携带期望的DNA序列改变的植株后代。

杂交筛选的过程费时费力,而且核酸酶的DNA的稳定表达会增加脱靶以及嵌合体发生的概率。脱靶和核酸酶的特异性相关,指的是由于某些DNA片段的相似,核酸酶“不小心”把类似的位点也切割了。好在基因编辑技术的快速发展已经可以实现所谓的“瞬时表达”,克服了这些缺点。

第一种方式,使用农杆菌、基因枪或原生质体转化将核酸酶的编码DNA或RNA传递至植物细胞。当将核酸酶的编码DNA构建体运送至细胞时,“瞬时表达”常常产生。在表达完核酸酶之后,DNA构建体迅速降解,没有机会整合入植物基因组。

例如2016年8月,高彩霞研究组通过CRISPR/Cas9 DNA或RNA“瞬时表达”,对六倍体小麦及四倍体小麦的7个不同基因进行了定点敲除,直接得到了不含外源基因的小麦纯合敲除突变体,而且没有检测到脱靶效应。“这就是瞬时起的作用,就相当于挥舞大刀砍人,砍到了敌人,但也伤到了朋友,砍敌人时间越长,伤到朋友的概率就更大。所以,‘瞬时表达’就会降低脱靶,也表明准确性更高。”邱金龙说。

不过,CRISPR/Cas9 DNA进入细胞后,也有可能把降解后的小DNA片段整合到植物的基因组中,如何从根本上杜绝DNA或RNA进入细胞呢?

升级后的方法就是把核酸酶以蛋白质的形态直接运送至植物细胞。目前,通过基因枪直接将在体外组装成的核糖核蛋白复合体(由Cas9蛋白和引导RNA组成)运送到玉米的胚胎中,并生成了不含转基因的玉米。高彩霞团队也用了类似方法,生成的小麦不仅从最终产品上无外源DNA,而且在整个过程无外源DNA。

同样强大的还有目前快速发展的碱基编辑技术。“还有一些表观遗传修饰的技术,DNA序列根本没有改变,但也会产生新的性状。”谢震说。当然,表观遗传修饰技术,如RdDM,产生的植物是否可以称为突变体也值得商榷,因为核苷酸序列并没有发生任何的改变。

总之,基因编辑技术的发展已经不仅可以获得无转基因的植物,而且全程都不涉及转基因。

学者:监管应评估最终产品而非过程

另外一种修复途径HR会复杂些。HR通过基因替代或者插入来实现精确的基因编辑,需引入与断裂处原序列类似的DNA修复模版。该模版通过同源重组拷贝到染色体处,达到修复目的。

HR潜力巨大。不仅是添加基因,HR也可以通过改变基因编码区的关键氨基酸残基,或者改变启动子或控制基因表达的其他顺式作用元件获得新的性状。

碱基的插入和替换有可能触发监管。不过,若与传统的杂交育种相比,如果是将自然界中已经存在的可杂交物种中的同源基因定向导入,则没有理由不接受——因为,原则上讲,这样的作物用杂交育种也能做到,只不过更加耗时。更为棘手的是,没有办法可以在这两种方法创制的产品之间做出区分。唯一的不同是,传统杂交耗时、准确性低,经常连带将附近的一大段DNA也引入了进去,可能有副作用。

那么,如果通过HR导入的是可杂交的物种的同源基因,不是不可杂交的物种的外源DNA,是否可以获得豁免呢?另外,到底多大数量的碱基改变才触发监管呢?这些问题悬而未决。

不过,在一些专家看来,考虑技术实现过程中是否涉及到转基因,思路本质上就是错误的。2016年,美国竞争性企业研究所的Gregory Conko和另外三位学者强调,监管必须集中在实际的风险,而风险只是由经过修饰的最终产品所带来的,与所使用的方法毫无关系。对最终产品进行评估而不是对创制产品的过程进行监管代表了科学界的主流意见。

生在中国,却长在美国的试验田里

2009年,当邱金龙从欧洲回到中国,准备用新出现的基因编辑技术TALEN来创制对白粉病有广谱抗性的小麦时,他的合作者高彩霞也从欧洲回国。

“在欧洲,我们去介绍的时候,科研人员还不习惯使用这一新技术,欧洲相对比较保守。在中国,我们的植物基因组编辑研究在国际上还是领先的,并且得到了快速广泛的应用。”邱金龙说。欧洲对转基因的保守,已经导致其产品开发和产业的落后。

Gregory Conko等人认为,美国对待基因工程技术的态度相对要宽松。美国食药监局集中评价产品。美国环保署集中考虑抗虫特性。美国农业部发明了“植物害虫”(Plant pest)一词,关注在基因工程作物的创制过程中是否用到植物病原体。对于新兴的植物编辑技术,目前,白宫命令农业部、食药局、环保署更新其监管的协调框架来应对,广泛收集民众的意见。

传统育种已经无法满足不断增长的食物需求和气候变化等挑战。如果还是通过发现自然的变异后杂交育种,甚至加上60年前发展的诱变育种,作物改良也将不可持续。“传统的杂交育种,假设很幸运能找到一个抗病植株,但一般它产量不高,那就需要和产量高的进行杂交,杂交后还要经过多代的优化分离,一般要至少十年以上。”邱金龙说。

然而,欧洲的科学家Maria Lusser等人曾指出,不利的监管环境导致的高成本(每转基因事件3500万美元)和费时(需要5.5年才能完成),使得只有一些高利润的作物获得大规模种植,如棉花、大豆和玉米;一些冷门的作物比如蔬菜和园艺品种则无人问津。

“我觉得基因编辑如果法规足够宽松,不需要大公司去做,很利于中国的小公司去创新。我们给科学院写过材料,用了一个很俗的名词,说可以实现中国育种产业的弯道超车;中国有2000多家种子公司,大都是小公司,没法和国外的跨国公司竞争。”邱金龙说。

在植物育种领域,我们正站在一个变革的十字路口,也许是一场双重的范式转换:一方面,潜力巨大的植物编辑技术正在革新行业面貌;另一方面,以过程为基础的监管策略已经不合时宜。

中国将如何应对?我们只能从一些学术会议上听到只言片语的“建议”,即使是这个领域的科学家,也小心谨慎。而诞生于中国实验室的广谱抗白粉病小麦,因无需受到转基因的监管,正茁壮地生长在美国的试验田里。

(作者系《知识分子》公众号主笔)

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