近日，舜豐生物首席專家朱健康院士接受澎湃新聞專訪，圍繞基因編輯育種產(chǎn)業(yè)化等內(nèi)容展開交流。

      聯(lián)合國糧農(nóng)組織等聯(lián)合發(fā)布的《2022年世界糧食安全和營養(yǎng)狀況》顯示，受新冠疫情等因素影響，2020年全球糧食短缺的人口大幅增長，全球有多達(dá)7.2億至8.11億的人正面臨饑餓，在全球人口中的占比達(dá)到近10%。

      這種狀況并不會輕易改善。聯(lián)合國糧農(nóng)組織總干事屈冬玉就曾指出，不用等到2050年世界人口達(dá)到預(yù)計的100億，“就幾項關(guān)鍵資源而言，糧食體系已經(jīng)越來越超出地球的承載界限。”

      育種技術(shù)的創(chuàng)新等科技手段始終是應(yīng)對全球糧食危機(jī)的策略之一。近年來，生物育種技術(shù)中關(guān)注度最高的是以CRISPR為代表的第三代基因編輯技術(shù)，這已成為基因功能解析與品種創(chuàng)制的重要工具。業(yè)內(nèi)認(rèn)為，基因編輯技術(shù)在與無融合生殖、單倍體誘導(dǎo)等傳統(tǒng)育種技術(shù)加速融合中，正不斷提高作物育種的精度和效率。

      “基因編輯育種在國內(nèi)遇到不少困難，但現(xiàn)在還是趕上了好時候，國家政策支持，整個社會也都比較重視育種產(chǎn)業(yè)。”舜豐生物首席專家朱健康院士在接受專訪時表示，基因編輯技術(shù)應(yīng)用于育種已經(jīng)是一種趨勢，“但仍然希望這個步伐在國內(nèi)能夠邁得更快一點(diǎn)。”

      朱健康于2010年當(dāng)選為美國國家科學(xué)院院士，歷任美國加州大學(xué)河濱分校杰出教授、普渡大學(xué)杰出教授、中科院上海植物生理及生態(tài)研究所學(xué)術(shù)所長、中科院上海植物逆境生物學(xué)研究中心主任。2022年1月8日，南方科技大學(xué)前沿生物技術(shù)研究院正式揭牌成立，朱健康任該研究院院長。其主要從事植物對非生物脅迫的應(yīng)答機(jī)制和調(diào)控技術(shù)研究以及基因編輯技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用研究，是植物抗逆分子生物學(xué)領(lǐng)軍科學(xué)家，在植物抗旱、耐鹽與耐低溫方面做出了杰出成就。

      “過去大部分時間做的是基礎(chǔ)研究，利用模式生物去研究機(jī)制機(jī)理，最近10來年，我開始把注意力往應(yīng)用方面轉(zhuǎn)移一些，開始關(guān)注生物技術(shù)，特別是基因編輯技術(shù)。”朱健康眼下的工作是，“把前面二三十年基礎(chǔ)研究的積累，通過現(xiàn)在我們掌握的生物技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)上，或是醫(yī)學(xué)上。”

朱健康院士

      “基因魔剪”：熱潮同樣涌向育種界

      近年來，基因編輯對大眾來說已不是一個完全陌生的詞匯。

      該技術(shù)是指對基因組中的某些DNA序列進(jìn)行定點(diǎn)改造的遺傳操作技術(shù)。目前相對成熟應(yīng)用的基因組編輯主要是指人工核酸酶介導(dǎo)的鋅指核酸酶技術(shù)(ZFNs)、類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶技術(shù)(TALENs)和RNA介導(dǎo)的CRISPR/Cas技術(shù)。尤其是CRISPR/Cas技術(shù)，作為第三代基因編輯技術(shù)，因簡單、精準(zhǔn)、高效和低成本而得到廣泛應(yīng)用。

      30多年前，科學(xué)家在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)規(guī)律間隔成簇短回文重復(fù)序列，并發(fā)現(xiàn)這種重復(fù)序列可讓細(xì)菌對病毒有免疫抗性。2001年，西班牙科學(xué)家Francisco Mojica正式將其命名為CRISPR。2012年，來自加州大學(xué)伯克利分校的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Jennifer Doudna和瑞典于默奧大學(xué)的Emmanuelle Charpentier首次將CRISPR/Cas作為基因編輯系統(tǒng)應(yīng)用。2013年，來自于哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的George Church、麻省理工學(xué)院博德研究所的張鋒等人發(fā)文，將CRISPR/Cas系統(tǒng)成功應(yīng)用到哺乳動物細(xì)胞中。

      2020年諾貝爾化學(xué)獎最終授予Charpentier和Doudna，表彰她們在基因組編輯領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。

      作為基因技術(shù)中最銳利的工具之一，CRISPR/Cas9“基因魔剪”已被廣泛地應(yīng)用于微生物、植物和動物中。除了在癌癥、遺傳疾病等人類的疑難雜癥中被寄予厚望外，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也將該技術(shù)結(jié)合到已有的技術(shù)體系中，試圖為解決瓶頸難題助一臂之力。

      “糧食安全，不僅僅是保障口糧，還有肉、蛋、奶、蔬菜等很多食物的保障，這里都涉及到種業(yè)，它是國家戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性核心產(chǎn)業(yè)，種子是農(nóng)業(yè)的‘芯片’。當(dāng)然，除了種子，還需要有好的化肥供應(yīng)、保障沒有病蟲害的植保等，但育種這塊我們至少是不能落后的。”

      朱健康談到，從幾千年甚至上萬年前開始，農(nóng)業(yè)育種就在進(jìn)行，“那時候當(dāng)然只是自然選育，把喜歡的種子留下來繼續(xù)種，然后再從里面選出好的，因?yàn)樽匀坏淖儺惪倳泻玫挠袎牡模@樣日復(fù)一日年復(fù)一年去做。”

      1900年遺傳學(xué)的誕生，使得現(xiàn)代作物育種學(xué)科發(fā)展建立起來，育種從過去漫長的馴化進(jìn)入到了遺傳育種。其中主要的代表成果包括：20世紀(jì)30年代，通過遺傳育種創(chuàng)制的雜交玉米開辟了農(nóng)業(yè)革命；20世紀(jì)60年代起，在全世界范圍內(nèi)以矮化育種為標(biāo)志的“綠色革命”中，科學(xué)家們利用一個半矮稈性狀基因適度降低了小麥和水稻的株高，克服了株高過高易倒伏的問題，使小麥、水稻等作物產(chǎn)量大幅度提高；20世紀(jì)70年代，以袁隆平院士為代表的中國科學(xué)家成功實(shí)現(xiàn)了水稻雜交。這些均為世界糧食安全做出了巨大貢獻(xiàn)。

      “最近幾十年開始，隨著學(xué)科的發(fā)展，分子生物學(xué)的發(fā)展使得分子育種出現(xiàn)，這里面的代表性的技術(shù)成果就是分子標(biāo)記輔助選擇育種、轉(zhuǎn)基因育種和現(xiàn)在正在發(fā)展的基因編輯技術(shù)。”朱健康表示。

      “基因編輯這把神奇的‘剪刀’帶有一個導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠快速、精確地找到我們想要改良的基因，剪斷它，然后細(xì)胞在修復(fù)這個斷口時會產(chǎn)生我們需要的遺傳變異。”

      朱健康進(jìn)一步解釋道，從生物學(xué)原理來說，利用基因編輯技術(shù)獲得遺傳變異，和讓公眾非常喜歡討論的航天育種是一樣的，“航天育種屬于誘變育種，也就是利用輻射隨機(jī)打斷植物的基因，就像一個石頭砸到一個基因上去一樣，砸斷以后如果碰巧產(chǎn)生好的變異，那就留下用，而基因編輯育種可以精準(zhǔn)、高效地產(chǎn)生我們需要的遺傳變異，也不留下外源基因。”

      截至目前，CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)在作物育種上已掀起了研究浪潮，并在提高產(chǎn)量、改善品質(zhì)、提高除草劑抗性、非生物脅迫抗性、抗病性等方面都看到了巨大的應(yīng)用潛力。

舜豐高油酸大豆

      朱健康舉例提到，其團(tuán)隊此前即利用基因編輯技術(shù)，通過調(diào)控油脂的代謝通路，阻斷了油酸向亞油酸的轉(zhuǎn)化，從而獲得了油酸含量最高可達(dá)85%的高油酸大豆。“普通的食用油炸個五六次就已經(jīng)不太好了，油脂中不穩(wěn)定的多不飽和脂肪酸就會轉(zhuǎn)化為反式脂肪酸，對人體健康有影響，但高油酸油具有很好的熱穩(wěn)定性。”值得一提的是，高血壓、高血脂等慢性病不斷增加的因素之一，就是攝入了過多的反式脂肪酸，在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為低密度脂蛋白膽固醇。

      這一高油酸大豆也是其團(tuán)隊目前申請生產(chǎn)應(yīng)用安全證書的品種之一。而在美國、日本等部分國家，基因編輯產(chǎn)品也已經(jīng)先行一步正式走上了商業(yè)化之路。

      以日本為例，2021年底，日本批準(zhǔn)了GABA (γ-氨基丁酸)含量增加的基因編輯番茄用于商業(yè)銷售，這也是日本市場上首個正式銷售的基因編輯食品。GABA是一種天然存在的非蛋白質(zhì)氨基酸，是哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中重要的抑制性神經(jīng)傳遞物質(zhì)，具有穩(wěn)定情緒、幫助降低血壓等功效。日本筑波大學(xué)研究團(tuán)隊耗時15年時間，讓這款西紅柿的GABA含量比普通西紅柿多4-5倍。

      “所有的性狀都是基因控制的，理論上來說都可以用基因編輯去進(jìn)行改造。”朱健康強(qiáng)調(diào)，以提高產(chǎn)量為例，“它往往不是一個基因決定的，如果通過航天育種或者其他辦法去支持，碰到一個基因不容易，兩個基因同時碰到，這種概率基本是不存在的。但是現(xiàn)在基因編輯技術(shù)可以同時編輯2個基因、3個基因、10個基因甚至更多，能做的事太多了，以前想都不敢想。”

      科研高產(chǎn)的另一面：

      國內(nèi)需要打磨自己的“剪刀”

      中國的基因編輯研究發(fā)展很快，論文與專利的數(shù)量均居于國際前茅，這是有目共睹的。

      “就植物基因編輯這個領(lǐng)域，我們的研究人員群體比任何國家都大，國家也很支持，給予了很多資金上面的支持，做得也是比較早的，尤其是CRISPR/Cas技術(shù)出來后，國內(nèi)的研究團(tuán)隊很快就用上了，所以從研究層面上來說，水平是處于國際領(lǐng)先。”朱健康總結(jié)道。

      然而，需要指出的是，我國基因編輯不僅存在原始創(chuàng)新缺位的尷尬，在“產(chǎn)學(xué)研用”等各個環(huán)節(jié)也均缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)的原始創(chuàng)新成果。業(yè)內(nèi)有專家曾寫到：從最上游的基因編輯關(guān)鍵技術(shù)上看，我國的原創(chuàng)性技術(shù)和相關(guān)專利都遠(yuǎn)少于美國，現(xiàn)有基因編輯技術(shù)的核心專利基本為外國所有。從下游的基于基因編輯技術(shù)的農(nóng)業(yè)育種、醫(yī)療方法及產(chǎn)品研發(fā)上看，我國在核心產(chǎn)品創(chuàng)新上也落后于美國等發(fā)達(dá)國家。

      上述情況非常不利于我國把握這一新技術(shù)革命帶來的巨大發(fā)展機(jī)遇。朱健康也強(qiáng)調(diào)，“這其中有一個非常關(guān)鍵的技術(shù)問題，就是這把‘剪刀’是別人的，用別人的‘剪刀’發(fā)論文沒有太大關(guān)系，但你用這把‘剪刀’做出一個產(chǎn)品要去商業(yè)化，那是不允許的。”

      在朱健康看來，解決這個問題首先要意識到這個問題的重要性。他認(rèn)為，目前在政策層面，國家已經(jīng)非常重視?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中明確將基因與生物技術(shù)列為科技前沿領(lǐng)域攻關(guān)。

      朱健康同樣認(rèn)為，自主創(chuàng)新“剪刀”的問題也有解決之道。“現(xiàn)在有兩把‘剪刀’是用得最多的，一個是Cas9，另一個就是Cas12a，特別是Cas9效率也特別好，因?yàn)榇蠹叶加茫槐橛忠槐榈厝ゴ蚰?。但?lsquo;剪刀’在自然界里面其實(shí)很多，各種新的剪刀還是蠻多的。”

      他認(rèn)為，國內(nèi)科研人員需要做的是，“要真正知道哪些是繞不過別人的專利保護(hù)，哪些是能繞過的并挖掘出來，我們要做這方面的嘗試。”朱健康表示，“平時做做研究發(fā)發(fā)論文，用別人的‘剪刀’當(dāng)然很輕松，但真要進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，就必須要有自己的‘剪刀’，這就好比醫(yī)生需要有行醫(yī)資格，是欺騙不得的。”

      為了從已有的專利保護(hù)圈中殺出重圍，朱健康及其團(tuán)隊對于新型Cas酶的開發(fā)做了大量的工作。據(jù)介紹，其團(tuán)隊涉及到Cas12家族的Cas酶的幾項專利在國內(nèi)已獲得專利授權(quán)。他強(qiáng)調(diào)，與現(xiàn)有的CRISPR/Cas9基因編輯體系相比，這些Cas酶在實(shí)際應(yīng)用時不會侵犯與CRISPR/Cas9有關(guān)的專利的權(quán)利。

      “我們在2018年的時候就有意識開始布局這件事，經(jīng)過這幾年的改造，這些‘剪刀’進(jìn)步特別快，可以說有些已經(jīng)能媲美目前最好用的‘剪刀’了。”朱健康表示，“這些專利掌握在我們團(tuán)隊手中，在中國已經(jīng)授權(quán)，在國外還需要一段時間。”

      值得一提的是，在朱健康看來，盡管大家都在強(qiáng)調(diào)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的重要性，然而真正投入到這件事情上的人力物力并不多。“大家往往還是奔著論文去，但‘打磨剪刀’這樣的工作并不會幫助你發(fā)影響因子很高的論文，因?yàn)閺目茖W(xué)上來講，這項工作的創(chuàng)新性并沒有那么高，其實(shí)大家做的就是一件事，繞過別人的專利保護(hù)。”

      朱健康表示，值得欣慰的是，其團(tuán)隊布局相對較早，大家也能形成共識去做這件事，“不是奔著論文去的，就是奔著解決‘卡脖子’的問題。”

      此外，從技術(shù)層面上來說，朱健康認(rèn)為植物基因編輯仍有提高的空間，“這個空間是持續(xù)存在的，但目前的技術(shù)已經(jīng)足夠支撐一些產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，這兩者并不矛盾。”其提到的問題包括精準(zhǔn)編輯、遞送系統(tǒng)，以及基因和功能之間的關(guān)系等。

      以遞送系統(tǒng)為例，“‘剪刀’再好，但不能進(jìn)到植物生殖細(xì)胞里去，這也就凸顯了遞送系統(tǒng)目前也是一個很大的限制。”朱健康提到，在自然界數(shù)十萬種高等植物中，僅有遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到0.1%的物種能夠用現(xiàn)有的基因遞送技術(shù)進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化和遺傳修飾，“剩下的超過99.9%的植物，你想要做基因編輯是一點(diǎn)門都沒有，無論什么樣的工具都進(jìn)不去。”

      2021年10月，朱健康團(tuán)隊在The innovation期刊在線發(fā)表了題為“Cut-dip-budding delivery system enables genetic modifications in plants without tissue culture”的研究論文。他們指出，傳統(tǒng)的方法如利用農(nóng)桿菌或基因槍將遺傳修飾工具遞送進(jìn)入植物細(xì)胞后，經(jīng)過一個復(fù)雜的組織培養(yǎng)過程產(chǎn)生遺傳改良植株，但是這個過程周期長，操作繁瑣，并且大多數(shù)植物難以通過這一方法實(shí)現(xiàn)遺傳改良。在近幾年，雖然通過利用BBM、WUS、WOX5或GIF-GRF等植物再生基因或者利用病毒載體遞送系統(tǒng)在一定程度上能夠輔助遺傳修飾工具的遞送，但這些方法仍然有很大的不足，難以用在很多植物上。

      研究團(tuán)隊則開創(chuàng)性地提出了CDB(Cut-dip-budding)遞送系統(tǒng)。該遞送方法操作極其簡單，并且完全不需要組織培養(yǎng)過程，不需要無菌條件，通過簡單的植物切斷(cut)-沾菌(dip)-長根后生牙(budding)操作。研究人員目前已在草本植物(橡膠草、小冠花)、塊根植物(甘薯)、以及木本植物(椿樹、楤木、臭茉莉)中實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)基因或基因編輯工具的遞送。

CDB遞送系統(tǒng)

      “無論是植物還是動物中，遞送一直是一個瓶頸。”朱健康談到，科學(xué)界之前對這方面的關(guān)注度仍然不足，“最近開始關(guān)注的人多了一點(diǎn)，但還存在以發(fā)文章為導(dǎo)向的問題，我們希望能開發(fā)出更優(yōu)的遞送系統(tǒng)，能夠用到大多數(shù)植物上，但現(xiàn)在的技術(shù)還做不到這一點(diǎn)。”

      基因編輯育種商業(yè)化提速？

      先鋪好“正道”

      值得關(guān)注的是，去年的1月24日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部對外公布了醞釀已久的《農(nóng)業(yè)用基因編輯植物安全評價指南(試行)》(下稱“《指南》”)，對農(nóng)業(yè)基因編輯植物的安全評價管理進(jìn)行了規(guī)范。

      這次《指南》的出臺被業(yè)內(nèi)視為打破了之前我國基因編輯技術(shù)“研究領(lǐng)先、管理滯后、應(yīng)用空白”的局面。然而，該《指南》的出臺，是否就意味著國內(nèi)基因編輯育種技術(shù)將加速走向產(chǎn)業(yè)化快車道？朱健康對此并不是全然樂觀。

      “這些年我花了不少時間去推動政策的出臺，1月份的政策出臺是好事，但我仍然希望這是一個過渡政策。”朱健康表示，盡管目前將沒有引入外源基因的基因編輯植物區(qū)別對待，但現(xiàn)在的政策整體還是在轉(zhuǎn)基因的框架下。“但無論如何，這個政策讓我們看到了產(chǎn)業(yè)化的可能，但的確這條路要走完是比較長的。”

      朱健康認(rèn)為，對基因編輯育種來說，最優(yōu)的政策顯然是“一個更科學(xué)的態(tài)度”。他提到，無論是美國、加拿大、阿根廷等國家，還是傳統(tǒng)上對轉(zhuǎn)基因持反對態(tài)度的日本、俄羅斯等國家，“都出臺了政策，把不引入任何外源遺傳物質(zhì)的基因編輯產(chǎn)品等同于傳統(tǒng)育種產(chǎn)品，不按轉(zhuǎn)基因?qū)Υ?，免監(jiān)管的。”

      實(shí)際上，在作物基因編輯技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐中采取怎樣的監(jiān)管手段，各國政府尚未達(dá)成一致。有文獻(xiàn)綜述提到，概括而言，目前監(jiān)管模式可以分為三類：一是以美國和阿根廷為代表的寬松型監(jiān)管模式，這種模式以產(chǎn)品監(jiān)管為導(dǎo)向，將基因編輯作物不視同轉(zhuǎn)基因作物，免于嚴(yán)格的轉(zhuǎn)基因監(jiān)管；二是以歐盟大部分國家為代表的謹(jǐn)慎型模式，這種模式以過程監(jiān)管為導(dǎo)向，把基因編輯作物等同于轉(zhuǎn)基因作物進(jìn)行監(jiān)管；三是以澳大利亞等為代表的折中型模式，采用這種模式的國家在基因編輯作物的監(jiān)管過程中，根據(jù)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展階段來調(diào)整相應(yīng)監(jiān)管法規(guī)和技術(shù)措施。

      朱健康提醒道，從長遠(yuǎn)來看，如果監(jiān)管不夠科學(xué)，對產(chǎn)業(yè)會起到反作用，“可能很多人都不去申報了，更有一些團(tuán)隊會出現(xiàn)造假混用的惡劣現(xiàn)象；而對踏踏實(shí)實(shí)投入大量人力物力研發(fā)的團(tuán)隊來說，他們做的東西反而沒受到保護(hù)，這是非常不公平的。”

      此外，朱健康還強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，基因編輯育種產(chǎn)業(yè)化的成功必須依靠企業(yè)。“企業(yè)主體要把技術(shù)用好了，技術(shù)又要跟資本市場結(jié)合好，這才是正道。”他補(bǔ)充道，“資本市場真金白銀支持，他要看的就是企業(yè)團(tuán)隊是不是有真正好的技術(shù)，能否做出真正好的產(chǎn)品。技術(shù)和資本之間的結(jié)合做好了，同時政策和創(chuàng)新保護(hù)也能做好，這種情況下我們這個領(lǐng)域才能夠真正做大做強(qiáng)。”

      然而，目前的現(xiàn)實(shí)情況則是，中國有幾千家種子公司，但絕大多數(shù)并沒有任何研發(fā)實(shí)力。同時，創(chuàng)新公司的前景也并不明朗。“資本其實(shí)找我們的很多，最熱的時候每個星期都有幾波人來談。但最終大家都會遇到這個問題，如果沒有足夠好的政策支持真正產(chǎn)業(yè)化，那我們的產(chǎn)品不能夠走向市場，資本也不敢投很多錢進(jìn)來。同樣，如果創(chuàng)新保護(hù)做得不好，投的錢可能最后也打了水漂。”

舜豐高產(chǎn)水稻

      朱健康再次談道，從基礎(chǔ)研究的角度來看，中國基因編輯領(lǐng)域的水平無疑已經(jīng)處于國際先進(jìn)，“但政策長期不放開，保護(hù)的問題也解決不了，最后產(chǎn)業(yè)就無法發(fā)展，從事這一領(lǐng)域的這么大的群體最后也是不可持續(xù)，連學(xué)生最后都找不到工作。”

      他強(qiáng)調(diào)稱，“產(chǎn)業(yè)不上去，光是自己在那發(fā)文章‘自娛自樂’，維持一陣子可以，但你不可能永遠(yuǎn)這樣下去。”

      來源丨澎湃新聞、舜豐生物

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