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我国科研人员研制新型基因编辑工具 让作物育种更精准高效

人民日报 2022年05月23日 报道 浏览次数:

本报记者 谷业凯

研发人员在舜丰生物研发平台上工作。舜丰生物供图

舜丰生物培养的“高维生素C”生菜。舜丰生物供图

你见过维生素C含量能与猕猴桃媲美的生菜吗?在海南省崖州湾种子实验室里,“高维生素C”生菜长势喜人。这种通过基因编辑技术培育的生菜新品种,其维生素C含量与猕猴桃不相上下。

在植物细胞合成维生素C的过程中,有2个基因起着关键作用,即维生素C合成的限速酶。南方科技大学教授、中国农业科学院生物产业前沿技术创新中心主任朱健康带领科研团队,对生菜中这2个基因的上游表达调控元件进行精准编辑,使这些生菜的维生素C含量得到显著提高。

荣获2020年诺贝尔奖的基因编辑技术,被誉为21世纪生命科学的革命性突破,已在许多国家得到应用,在科研、农业、临床医学等领域显示出广阔前景。神奇的“基因剪刀”如何实现品种改良?我国在基因编辑育种方面能否后来居上?

找到能精准定位的“基因剪刀”

新型基因编辑工具的成功研制,有助于培育产量更高、质量更好的作物

基因是具有遗传效应的DNA(脱氧核糖核酸)片段,它能控制生物的性状,支持生命的基本构造和性能。生物的性状主要是由基因决定的,比如玉米的高矮、产量高低、能否抗倒伏等。

据朱健康介绍,基因编辑与传统育种技术最终的结果是相似的,即引入人类需要的遗传变异。按照传统的育种方法,改良一个品种可能需要几年甚至几十年的时间,这是因为传统育种技术创造的各种变异是随机的、不可控的。“拿杂交育种来说,要经过多代筛选,遇到一个真正需要的变异概率很小,这也正是育种周期长、难度大的原因之一。后来,科学家想方设法地来创造遗传变异,比如太空育种,就是利用太空特殊的环境诱变作用来使种子产生变异。”朱健康说。

基因编辑的出现,让更加精准的基因调控成为现实。“基因编辑是改变目标基因序列的技术,如同对文本进行修改一样,首先要把想要修改的地方找出来,然后使用工具,按照修改的意图,插入、删除部分‘词句’或者改写一段‘文字’。”朱健康解释说,基因编辑可以精准定位作物的特定基因,基因被“剪断”后,细胞就会修复断口并产生变异。利用基因编辑技术,改良作物的某个基因只需很短的时间,一次最多可以调控多达几十个基因。

朱健康告诉记者:“已有的研究表明,基因编辑技术可以精确、快速地生成作物改良所需的基因突变,帮助培育出产量更高、更有营养、更耐受极端天气、需要更少化肥和农药的作物。现在,基因编辑工具不仅可以用于去除或减弱不利于农艺性状的基因,还可以增强众多对农作物有益的基因。”

基因编辑过程中,找到自带“导航系统”、能精准定位的基因编辑工具至关重要。CRISPR/Cas9技术就是近年来备受关注的“基因剪刀”,它构成简单、编辑效率高且易操作,能对生物本身基因进行定向改造。“这项技术的应用非常广泛,并且在应用的过程中,这把‘剪刀’打磨得更加锋利了。”朱健康表示。

2018年,中国农业大学教授赖锦盛在噬菌体中发现了两个新型基因编辑工具CRISPR/Cas12i、CRISPR/Cas12j,与CRISPR/Cas9相比要小,在紧凑的蛋白质支架中保留了精确基因组编辑的关键功能,在植物基因编辑过程中具有较好应用前景。

此后,朱健康带领团队与之合作,共同进行后续开发。2019年,两个新型基因编辑工具申请原创专利;2020年,团队成功验证其在植物稳定转化体系中的编辑活性;2021年3月,两个新型基因编辑工具正式获得专利授权。

围绕产业开展科研

成功开发了20余种作物的基因编辑体系,开展了百余项产品的储备布局

位于济南的山东舜丰生物科技有限公司的“快速育种植物工厂”里,经过基因编辑的作物琳琅满目:这里有高产水稻、矮化的抗倒伏高产玉米等主粮作物;有淀粉品质改良的玉米、水稻、马铃薯等特色专用种质;还有香味鲜食玉米、“高维生素C”生菜、高油酸大豆等高附加值新品种。

舜丰生物是国内第一个精准基因编辑工程化研发平台的运营主体。这家由朱健康团队领衔创建的高新技术企业,对两个新型基因编辑工具进行挖掘和深度优化,围绕基因编辑卡脖子技术、共性关键技术进行了系统的专利布局,已申请专利130余项,其中PCT专利26项,已获得17项专利授权。目前,舜丰生物已成功开发了20余种作物的基因编辑体系,开展了百余项产品的储备布局。

“我们把新型基因编辑工具用好,最终的目标还是应用到作物育种中去,而不是只停留在学术研究层面。”朱健康坦言,在研发初期,团队的很多成果并没有发表。“我们开发这个技术,不是奔着发文章去的,而是推动产业化,形成市场化的运作机制,有效激励科研人员攻克关键核心技术,做出符合市场需求的产品。”

“要围绕产业需求做有用的科研。”这是舜丰生物总经理李峰博士说得最多的一句话。舜丰生物的不少科研人员常年奔波在农业生产一线,收集共性需求。李峰举例说,在矮化抗倒伏高产玉米培育过程中,科研人员就花了很大的精力来确定这些性状是由哪些基因控制的,“我们做了很多种组合,形成了一系列的应用方案。比如,我国东北地区种植的玉米就有抗倒伏方面的需求,降低株高就有很好的应用场景。”

目前,舜丰生物搭建了8000多平方米的技术平台、2.2万平方米的研发中心,规划建设10万平方米的基因编辑产业化基地。这里还拥有基因编辑底层技术研发平台、基因编辑产品工程化开发平台、高通量种质资源创新培育平台、植物基因编辑中试熟化平台。这里设置了由分子部、遗传转化部、性状部、育种大数据部组成的技术中心,以产品研发部、技术研发部、检测事业部组成的研发中心,以种业产业链为布局的产业发展中心,汇聚了240多位生命科学各领域的科研人员。

“产学研用紧密结合是推动基因编辑育种向产业化迈进的关键。”舜丰生物项目总监牛小牧博士认为,为了建立健全产学研用体系,公司与高校院所广泛开展合作,引进一批客座教授团队并联合培养研究生,形成科研合力,共同促进基因编辑的产业化应用。

产业化迎来新机遇

农作物基因编辑研发、应用有了更明确的规范,强化了我国基因编辑技术应用的制度保障

基因编辑技术是打好种业翻身仗、带动种业发展的新引擎,也是提升我国种业竞争力的利器。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》),我国农作物基因编辑研发、应用有了更明确的规范,强化了我国基因编辑技术应用的制度保障。

《指南》明确,对未引入外源基因的基因编辑植物,依据可能产生的风险申报安全评价。“这将有助于我国构建起更加精准高效的生物育种技术体系,基因编辑育种技术研发与产业发展,也将迎来新的机遇。”朱健康表示。

牛小牧说,《指南》的发布,使公司更有信心了。下一步,他们将加快推进生物育种产业布局,持续进行生物育种技术攻关,不断深挖市场需求,与下游种业、农化及生物技术企业形成合力,实现产业链上的优势互补,推进基因编辑技术的产品储备布局。

朱健康家乡在安徽农村,是粮食的主产区。少年时代,朱健康的理想很简单:考上大学,吃上商品粮,不给家里添负担。“父母现在干不动农活了。他们会经常问我,搞科研几十年下来,究竟做了些什么?我说发了多少文章,他们也听不大懂,我就一直觉得自己没做出啥东西来。”朱健康说,“把基因编辑技术做好,让我的父母高兴,让广大的农民获益,是我最大的愿望。”

《人民日报》2022年5月23日19 版


责任编辑:刘铮
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