基因组编辑:

推进农业可持续发展的可行之路

全球农业在减少农业对环境造成的影响的同时,也面临着如何养活全球激增人口的挑战。而对此,科学家和农民们从基因组编辑这一新兴技术上看到了问题的解决方案。

基因组编辑又称基因编辑,原理是利用植物自身的遗传变异,精准地放大或抑制特定特征的表达,其目的可能是改善目标产物的品质,也可能是加强植物抵御病虫害的能力或气候适应力。当然,基因组编辑也可用于实现上述提到的所有目的。这项技术的关键在于发挥植物的天然潜在能力并加以改良——和传统育种一直以来的做法相同,只不过速度要快得多。

由于基因组编辑涉及到一项近年(不到十年前)才发现的技术,因此该技术所产生的农业效益现在才逐渐显现。通过基因组编辑技术培育出来的食品很少流入市场,其中最引人注目的特例是日本去年推出的基因组编辑番茄

性状传递创新科学家乔迪·阿维拉正在美国北卡罗来纳州三角科技园的先正达种子实验室工作。

性状传递创新科学家乔迪·阿维拉正在美国北卡罗来纳州三角科技园的先正达种子实验室工作。

不过,研究人员、农民、环保倡导者以及其他一些人都对基因组编辑寄予厚望,因为这项技术用于培育水果、蔬菜、豆类和谷物,使其具有更高的营养价值、更长的保质期、对病虫害的天然抵抗力,以及在极端天气下拥有更强的适应力等等优点。

“如果农民们能获得一种气候适应力和抗病性都更强的作物植株,我们将能在全球变暖期间提高粮食安全保障能力。”先正达种子技术开发负责人蒂莫西·凯利赫(Timothy Kelliher)说,“我们需要基因组编辑技术,这是基因组编辑技术工具箱中一项十分重要的工具。”

先正达尚未准备好公开讨论自己的产品开发规划,仅表示这项工作正在积极进行中。不过,先正达与基因组编辑相关的专利数量正在不断增加,有意成为该领域的领导者。

与转基因生物技术截然不同

转基因生物技术是指将其他物种的一个基因植入到某个植物的DNA(脱氧核糖核酸)中,这项技术比基因组编辑技术更加成熟,但常常受到抨击。而基因组编辑技术则可以在植物自身的基因上进行修改,此过程会涉及到改变植物自身DNA中的基因碱基对,从而强化某种理想特性或消除某种不良特性。

基因组编辑技术好比日常生活中用到的文字处理软件,科学家们可以通过基因组编辑更改或删除碱基对——类似于更改句子中的一个单词或调整断句方式。而转基因生物技术则类似于在段落中间插入一个外语句子,与基因组编辑技术的操作过程截然不同。

诚然,20世纪80年代研发出的转基因生物技术确实对农民而言有宝贵价值,可以大大减少用于保护作物的化学药剂的需求。不过,虽然长期跟踪记录表明转基因生物技术是安全的技术,但仍有很多人对其有误解,并将其高度政治化。这不仅导致各国(尤其是欧盟)加强了对转基因生物技术的监管,还使多国消费者对其持怀疑态度,而一些营销人员往往就是利用这一点去推销“纯天然”产品。

相比之下,基因组编辑技术则是基于一种名为规律间隔成簇短回文重复序列的技术。这项技术源于植物的自然遗传,由詹妮弗·杜德娜,埃马纽埃尔·夏彭蒂耶,以及布罗德研究所和麻省理工学院的张锋在2012年开发,他们的这项研究成果还获得了2020年诺贝尔化学奖。

“规律间隔成簇短回文重复序列技术是一项重大的科学突破,”凯利赫说。

人们早期对规律间隔成簇短回文重复序列技术的关注点主要集中在它的医学用途上。随后在2019年,凯利赫和他在北卡罗来纳州三角科技园的先正达公司同事发明了一项名为单倍体诱导编辑的作物基因组编辑技术,该技术为编辑商业作物变种提供了一种高效的方法。

由于基因组编辑并不会向植物中植入外来DNA,也没有面临转基因生物技术四十年来所遭遇的两极分化的政治争论,因此许多农学家乐观地认为基因组编辑技术的监管环境将会更加友好。

蒂莫西·凯利赫:先正达种子技术开发负责人。

蒂莫西·凯利赫:先正达种子技术开发负责人。

对抗新的作物威胁

随着干旱、洪水和持续热浪对作物产量造成巨大隐患,气候变化正不断地给农民带来巨大压力。与此同时,伴随气候模式的不断变化,病虫害正在向先前未及之处蔓延传播。

对于开发出能够应对这些问题的种子特性,时间至关重要。

“作物育种领域的研究十分活跃,因为这涉及到了不同学科的多种技术,”先正达蔬菜花卉研发负责人尤里·克里格说,“作物育种总的来说是一场数字游戏。你能评估的产品越多,你就越有可能找到你真正喜欢的产品。基因组编辑技术既精准又快速,这两点正是有效开发创新产品以满足客户日益变化的需求的关键要素。”

若采用传统育种,通常需要15到20年的时间才能将具有一种或多种新性状的产品推向市场。而根据凯利赫的预估,使用先正达公司的单倍体诱导编辑技术进行基因组编辑,可将这一过程缩短5到10年。

基因组编辑技术有可能减少农民对化肥和杀虫剂的需求,从而使农业更具环境可持续性,让种植出来的蔬菜更加美味可口,同时帮助农民获得更高的产量。

在凯利赫看来,基因组编辑技术也能给消费者们带来好处,例如蔬菜的保质期得到了延长,并且消费者们可以了解到基因编辑产品将产自化学干预更少的农田。他说,对于农民来说,减少化学药剂的使用意味着降低成本,而基因编辑技术的改进则意味着产量的提高。

左为蔬菜花卉研发负责人尤里·克里格,右为全球种子研究负责人吴谷穗。后排中间是卷心菜育种项目负责人特万·格鲁特。

左为蔬菜花卉研发负责人尤里·克里格,右为全球种子研究负责人吴谷穗。后排中间是卷心菜育种项目负责人特万·格鲁特。

监管问题迫在眉睫

美国、欧盟和其他国家的政策制定者仍在确定如何监管利用基因组编辑技术培育的食品。日本的基因组编辑番茄在该国监管机构的支持下获得批准。而在全球范围内,有利的监管条件和快速的审批流程不仅对基因组编辑食品广泛引入市场至关重要,还关乎此类食品后续能否使全球农业转为更加可持续和多产的体系。

2022年发表在《自然遗传学》杂志上的一篇文章发现,基因组编辑作物的相关风险“与人们广泛接受的、过去的,以及当前的育种方法的风险相当”,而且这种技术或许能让贫困的小农从中获益多多,因为它可以使优良作物更快的运送到他们的田地里。与此同时,该文章认为消费者们也可以从更有营养的基因组编辑作物中获益。

凯利赫和阿维拉在美国北卡罗来纳州三角科技园实验室。

凯利赫和阿维拉在美国北卡罗来纳州三角科技园实验室。

不过,该文章指出,如果不解决监管、法律以及贸易相关的问题,就等于“挥霍潜在利益”。这篇文章的总结是这样写的:“如果用监管转基因生物技术的方式监管基因组编辑作物,那么这些作物可能无法流入通过了此类政策的国家,也就无法流入希望将食品出口到这类市场的国家,而与之相关的研究和变种将主要由跨国种子公司管理和控制,中低收入国家的小农仍几乎无从获取。”

加利福尼亚大学出版社的《元素》杂志上发表的一篇文章称基因组编辑技术是“生物技术领域的重大进步,有望带来显著的农业效益”。不过,该文章指出“对于如何监管基因组编辑食品这一问题,国家和国际层面尚未达成共识”,此类食品的未来发展前景“将取决于复杂的社会、科学、环境、经济和政治因素之间的相互作用,包括各国以及国际的相关监管政策”。

转换视角

美国的监管环境对基因组编辑技术的推广及应用都有利。然而在欧盟,之前的转基因生物技术就受到了严格的监管。因此,欧盟地区的基因组编辑技术支持者希望人们能以一种不同的视角看待这项新技术。截至目前,欧盟仍对基因组编辑技术抱审慎的乐观态度。欧洲在经历了饱受干旱困扰的夏季后,许多当地立法者都对基因组编辑技术的潜力——甚至是转基因生物技术的潜力——给予了肯定,认为这些技术能在极端气候肆虐之时保障食物供应。

欧洲议会的意大利议员安东尼奥·塔亚尼已经敦促欧盟“要放开新辅助进化技术的使用,将其从转基因生物规则中剔除”。他说:“新型农业生物技术可以用更加抗旱抗虫害的植物进行试验。”

查尔斯·巴克斯特,先正达种子的全球种子发育性状和监管负责人

查尔斯·巴克斯特,先正达种子的全球种子发育性状和监管负责人

在先正达种子负责性状开发和监管事务的查尔斯·巴克斯特表示,相比于转基因生物技术刚问世时的监管环境,基因组编辑技术的“监管环境要好得多”。他说,“这在一定程度上是由于整个科学界以及价值链都对这项技术的潜力感到兴奋。”

“监管机构已经意识到基因组编辑技术与传统的转基因生物技术有所不同,”巴克斯特继续说到,“他们也同样意识到,对转基因生物技术的安全性存有的疑虑完全没必要。无论是在科学层面还是在监管机构层面,人们确实希望能够推进这项技术的普及应用。”

We'd love to hear from you!

Help us improve your experience by taking our quick 30-second survey
What’s your relationship with agriculture?
Have you found what you are looking for?
Why did you visit our website?
What’s your impression of Syngenta?
What topics would you like to see in the future?