Nature：跟随诺奖的脚步，CRISPR如何产生下一个重磅作物

科学家们正试图通过编辑特定基因来快速驯化野生植物物种，但是他们面临着重大的技术挑战——以及对利用土著知识的担忧。

　　

在短短几年的时间里，中科院院士李家洋试图实现人们曾经花费数百年时间才能实现的目标。他想通过入侵野生稻的基因组，将其变为驯化作物。他已经取得了部分成果。

李家洋院士是中科院遗传与发育生物学研究所的一名植物遗传学家，他正在研究一种来自南美的野生水稻，名为Oryza alta。这种水稻能结出可食用的营养丰富的谷粒，但无法收获，因为种子一成熟就会掉到地上。为了驯服这种植物，这一研究组需要去除这种被称为“种子碎裂（seed shattering）”的特性，并改变其他一些特性。

研究人员对O. alta的基因组进行了测序，并将其与家稻的基因组进行了比较，寻找与传统作物中控制重要性状的基因相似的基因，如茎粗、晶粒大小和种子碎裂。然后，他们用定制的基因编辑工具针对这些基因，试图重现一些使驯化水稻易于种植的基因变化。所有的性状都在一定程度上得到了改善，尽管这些植物的谷粒掉落得还是太快。“我们正在为此努力，”他说。

对这种水稻的改造是越来越多的利用基因组编辑快速驯化新作物的努力之一。通过这个被称为“从头驯化”（De novo domestication）的过程，世界上早期农民花了几千年时间才完成的转变，可以在短短几年里实现。这项工作可能会提高全球粮食供应的弹性：许多主要作物的野生近缘种都具有有用的性状，当气候变化给全球农业带来压力时，这些性状可能会被证明是有价值的。李院士说，例如，O. alta“对盐和干旱以及一些非常严重或非常危险的疾病具有非常强的抵抗力”。

但从头驯化的技术挑战是巨大的。大多数野生植物都没有得到充分的研究，如果不了解它们的基本生物学，就不可能通过重写它们的基因组来驯化它们。使用CRISPR-Cas9等工具的靶向基因编辑是一种强大的方法，但它不能完全复制数千种突变，这些突变使现代国内作物的生长和收获得到了微调。

2020年，因开发了精准基因编辑技术，Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer A. Doudna 共同获得了2020年诺贝尔化学奖。这种技术自本世纪10年代问世以来，它已经“席卷”了全世界的实验室。有无数的应用：研究人员希望用它来改变人类基因以消除疾病，培育更顽强的植物，消灭病原体等等。

“这似乎是一个非常简单的想法，但你打开的包装越多，它在概念上就变得越复杂，”植物生理学家Agustin Zsögön说。因此，尽管商业生产商对这个概念感兴趣，但没有公司公开追求它。

此外，还有人担心从头驯化可能会被滥用。许多野生植物只有土著居民才知道，他们世世代代都在照料这些植物。纵观历史，殖民势力一直在窃取或剥削土著人民的知识——就像南非的路易波士茶树(Aspalathus linearis)一样。马萨诸塞大学植物学家Madelaine Bartlett说:“我非常清楚不要重蹈覆辙。”

关于科学家如何在伦理上与土著人民合作，有一些建议，但是到目前为止，这些建议还没有被广泛采用或编纂成法律。南非Stellenbosch大学的植物学家Nokwanda Makunga说:“就粮食作物而言，我们可能在很大程度上忽视了土著社区。”“正在进行从头驯化的人需要更加警惕。”

驯服西红柿

人类驯化植物已有大约一万年的历史。但Zsögön表示，驯化是一个模糊的概念。许多植物可以种植来生产食物，但它们的可预测性和产量无法与普通种植的作物(如玉米或土豆)相比，而且它们也不容易收获。一条有用的经验法则是，驯化的物种已经与人类建立了永久的关系。如果任由它们自生自灭，它们可能会枯萎，无法繁殖，或者在几代之后失去人类所珍视的特征。

虽然没有关于第一个驯化植物物种的书面记录，但很明显，它们是有意或无意地通过选择理想特征的育种产生的，例如大果实或缺乏毒素。经过许多代人的积累，控制这些性状的突变导致了与祖先品种非常不同的作物。例如，现代玉米的大而软的玉米粒看起来几乎不像它的野生祖先大刍草的小而硬的种子。

选择育种仍然是农业的支柱。但现在的育种者以特定的性状为目标，经常使用引起突变的辐射或化学物质来加速创造遗传变异的过程。

尽管取得了这些进步，但许多向作物引入性状或生产全新作物的方法在某种程度上依赖于偶然。育种者没有办法控制突变的产生。相反，他们必须制造大量的突变体并仔细筛选它们，以期在数千种有害突变中找到少数有用的突变。

基因编辑有望改变这种状况，因为它允许研究人员以有针对性的方式编辑生物体的基因组。几十年来，遗传学家一直在这样做，他们使用既定的方法将整个基因添加到生物体中，从而创造出“转基因”作物，比如抗虫或抗除草剂的玉米或大豆植物。但是新的基因编辑工具提供了更多的控制，使研究人员能够在选定的位点上精确地编辑现有的基因组。最突出的技术是使用CRISPR-Cas9，它最初是细菌“免疫系统”的一部分，可以通过重新编程来编辑基因组。

通过基因组编辑进行从头驯化的第一次演示发生在2018年。在一项研究中，Zsögön和他的同事们驯化了一种名为Solanum pimpinellifolium的南美野生番茄。它们是驯化番茄(茄属番茄)最近的野生近亲。S. pimpinellifolium的果实很小，甚至与樱桃番茄变种相比，但可食用。“它们酸甜中带着一丝辛辣，”Zsögön说。他的团队编辑了该植物基因组的六个关键区域，产生一个类似于家养番茄的版本。这种新植物结出的果实是野生植物的十倍，果实的大小是野生植物的三倍。

在另一项研究中，由纽约冷泉港实验室的Zachary Lippman和纽约伊萨卡市康奈尔大学的Joyce Van Eck领导的研究小组将一种野生groundcherry (Physalis pruinosa)驯化得更近了一步。土樱桃与番茄、土豆和辣椒属于同一科植物。它因其甜美的金色浆果而生长在中美洲和南美洲的部分地区。但是，由于这种植物蔓生，果实很小，成熟后很快就掉到地上，因此收获起来很困难。研究小组修改了一种名为Ppr-SP5G的基因，使植株更紧凑，并调整了另一种名为Ppr-CLV1的基因，使果实重24%。

这些都是戏剧性的突破，但这些新植物还没有大规模种植，更不用说卖给消费者了。虽然这是最终目标，但这些最初的研究是“概念的证明”，“我们只是证明了这是可以做到的。”

他说，从头驯化对于培育能够抵抗非生物压力因素(如干旱)的作物尤其有用，因为相关性状通常涉及多个基因;将每一个品种培育成家养品种将是非常耗时的。从理论上讲，通过重新驯化，研究人员可以通过调整少量基因来快速驯化野生植物。

李院士说，一些野生物种也比驯化品种更有效地利用氮等营养物质。野生植物的驯化应该允许农民使用更少的肥料，降低成本，并减少有害的径流进入河流。

这些潜在的好处促使多个团体尝试驯化项目。

2018年，分子遗传学家Sophia Gerasimova筛选了野生马铃薯的基因组，寻找一个好的候选物种。为了适合驯化，植物必须适应CRISPR并具有潜在的有用特性。如果植物有“坏”性状，这些性状需要由少数基因控制。他们最终选择的野生马铃薯是沙科茄(Solanum chacoense)，它有许多吸引人的特性:它会长出看起来像家养土豆的圆形块茎，对病毒和害虫有抵抗力，而且这种植物很容易处理，因为它们整齐而紧凑。它还能抵抗“冷增甜”——一些土豆在冷藏后会变得富含葡萄糖和果糖，导致烹饪时的味道不佳。然而，这些块茎“又小又苦”，Sophia Gerasimova说。他们需要解决这个问题。

这个研究组确定了CRISPR编辑的五个目标基因，他们认为这些基因与一些关键特征有关，比如块茎形成的时间和有毒甾体糖生物碱的积累。然而，研究人员一直在努力对这些植物进行必要的编辑。Sophia Gerasimova说，他们已经成功地编辑了植物细胞中的基因组，但还没有设法让这些突变繁殖到整个植物中。她乐观地认为，他们将克服这一障碍。

有很多原因可以解释为什么新的驯化作物还没有被商业化种植。一个是，正如Sophia Gerasimova的经验所表明的那样，将CRISPR应用于一个新物种本身就是一个挑战。

同样重要的是驯化的复杂性。虽然少数基因确实可以引起显著的变化，但驯化作物在基因组的许多区域与野生作物不同，每个差异都可能产生微小但重要的影响。“有成千上万的基因使玉米与大刍草不同，”Bartlett说。使用CRISPR复制所有这些变化是不现实的。

因此，传统育种技术将继续发挥重要作用。明尼苏达大学圣保罗分校的发育生物学家David Marks团队致力于驯化大田pennycrese (Thlaspi arvense)，这是他所在机构“永远绿色”倡议的一部分。这种植物有一个垂直的单根茎，长着卷心菜状的小叶和白色的花。它的种子含有一种有用的油，“与菜籽油极其相似”。

整个驯化计划依赖于诱变和选择性育种——Marks指出，传统方法仍在不断改进，而且现在比过去几十年快得多。当CRISPR技术起飞时，该项目已经进入了后期阶段。

Marks说：“不要误解我的意思，CRISPR技术精妙、美观、简单。我真希望在我年轻的时候就能买到。”然而，它只在某些情况下是实用的。他说:“以矢车菊为例，我们从一种已经具有理想特性的植物开始。”用CRISPR实现的单基因改变是不需要的。但许多其他潜在有用的野生植物，如O. alta，需要在少数基因中进行这种有针对性的改变。

基本的差距

通过基因编辑进行重新驯化还有一个障碍，那就是植物学家对野生植物生物学的知识有限。我们对植物的了解大多来自少数模式物种，如拟南芥(拟南芥)。大多数野生植物甚至还没有进行基因组测序，更不用说进行深入研究以了解DNA序列的作用了，而这在尝试重新驯化之前是必要的。“为了能够进行这种操作，你必须有基本的信息和基本的构建模块，”Makunga说。

Bartlett说:“这些技术远远超过了我们对基础生物学的了解。”

另一个复杂的问题是如何考虑土著群体的权利。Bartlett和Makunga认为，这些社区需要从一开始就被包括在任何新的驯化计划中。“我们在实践中需要更加道德，”Makunga说。

新西兰汉密尔顿怀卡托大学的Maui Hudson说，当土著居民对一种野生植物拥有所有权时，“他们应该参与这些项目，并从由此产生的任何创新中受益”。

南非已朝着这个方向采取了步骤。Makunga和她的同事们会见了桑人的代表，讨论了一个新项目的好处——这是南非2004年《国家环境管理:生物多样性法案》要求他们做的事情。2010年《名古屋议定书》是《生物多样性公约》的一部分，该议定书也要求与土著群体共享遗传资源使用的惠益。同样，巴西为所有涉及本地物种的研究建立了一个知识库，并建立了一种机制，如果土著社区的知识带来了利润，就对他们进行补偿。Zsögön并不指望他的项目能触发这种机制，因为他研究的植物生长得很广。同样，李院士所研究的水稻“在南美洲广泛分布”，“与任何特定的土著群体无关，据我们所知，也没有任何人在任何地方种植过”。

然而，像巴西这样的安排仍然很少见。例如，南非的商业路易波士茶业已经存在了一个多世纪。这种植物只有微弱的驯化能力，因此，多亏了科伊和桑人保存的传统知识，这种工业才有可能实现。然而，直到2019年，该行业才签署了一项协议，要求它向科伊和桑社区支付费用。

尽管存在技术和政治上的挑战，但研究人员对重新驯化的潜力充满热情。“我对未来可定制和可修改的植物开发感到兴奋。”“我认为，这实际上是我们可能在我有生之年看到的前景。”