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在美国宾夕法尼亚州切斯特县一家酒店的会议大厅中,一百多位农业生产者齐聚一堂,他们或许没有基因编辑的相关知识背景,但都对蘑菇了若指掌.宾夕法尼亚州的蘑菇平均日产量近500 吨,雄霸美国12 亿美元的蘑菇市场.然而,他们生产的蘑菇有些还没来得及卖出去,就在货架上变成褐色,腐败了.蘑菇对于物理碰撞十分敏感,即便是小心谨慎的“一触式”采摘法和精心的包装,也可能激活那些加速蘑菇变质的酶.
2015 年秋天一个有雾的清晨,一名叫杨亦农的生物学家走上与蘑菇相关的继续教育讲台,向大家宣布他已找到了有望解决蘑菇变褐问题的方法.这位宾夕法尼亚州立大学的植物病理学教授虽然不是蘑菇种植领域的专家,但他利用一种叫做“CRISPR”的新技术,对西方世界最受欢迎的食用菇——双孢蘑菇,进行了基因组编辑.听众席里的种植者们或许从未听说过CRISPR 技术,但当杨亦农把经过CRISPR 技术改造后纯白的双孢蘑菇与腐坏变褐的普通蘑菇做了一番对比之后,他们也意识到其中潜藏的巨大商业价值.宾夕法尼亚州立大学也深谙其商业价值,就在杨亦农举行讲座的前一天,他们为该研究成果申请了专利.
“低价”剪掉蘑菇褐变基因
2013 年10 月,一位名叫戴维·卡罗尔的校友敲开了杨亦农实验室的门.卡罗尔是一家蘑菇公司的董事长,他想知道新的基因编辑技术能否被用于蘑菇改良,以期减少蘑菇的褐变.生物学家之前已经确认了6 种编码褐变酶的基因,导致苹果和马铃薯褐变的酶也是由这类基因编码的.这些所谓的褐变基因中有4种在蘑菇的子实体中高度表达,产生大量的褐变酶,杨亦农认为如果他能利用基因编辑技术在蘑菇基因组中引入突变,阻止其中一个褐变基因的表达,就可能减缓蘑菇的褐变速度.
C R I S P R 技术之所以如此简易,是因为生物学家能够直接根据需求构建产生突变的分子.这些分子工具能够出色地完成两个任务：锁定特定的D N A 序列,然后对它进行剪切.标靶位点D N A 的剪切一旦发生,突变就会随之自然发生.杨亦农便是利用D N A 突变破坏了一种褐变酶基因的表达,并用D N A 检测对这一突变进行了确认.他说,一个熟练的分子生物学家能在3 天内构建一个专门的突变工具,用于编辑任何生物的任何基因.而这正是CRISPR 技术被一些科学家追捧的原因——快捷、经济且简易.杨亦农暗示这类研究如果不是特别简单,也是极其程式化的,而且花费非常少.合成向导R N A 及其“骨架”算是整个研究项目中最难的步骤了,也只需几百美元就能完成.杨亦农说：“如果不考虑人力,这个项目大约只需不到1 万美元.”目前有很多小型生物技术公司正在用于编辑任何基因的CRISPR 架构.
农业领域掀起基因编辑技术风潮
Recombinetics 公司是美国明尼苏达州的一家小型生物技术公司,该公司的研究人员从基因水平阻断了荷斯坦奶牛( 乳制品业的主要乳牛品系) 体内控制牛角生长的生物信号.他们通过基因编辑将阿格斯肉牛的自然突变无角基因,导入荷斯坦奶牛的基因组中,从而让公荷斯坦奶牛无需接受残酷的去角手术,就能去掉牛角,以防奶牛在打斗中受伤,以及伤到奶农.然而该公司的首席执行官斯科特·克鲁格认为,这种基因编辑过程不涉及转基因,只是在奶牛的基因组中引入几个碱基,其基因组成与我们已经在吃的食物并无差异.与此同时,中国和韩国的科学家已经开始合作研发肌肉型肉猪,他们计划利用基因编辑技术,敲除猪体内的肌肉生长抑制素基因.
与其他的强大科技一样,CRISPR 技术激发了一些农业梦想家对未来农业的幻想,一些近乎科幻的场景已经出现在文献中.丹麦哥本哈根大学的植物学家迈克尔·帕尔姆格伦就提议,科学家可以利用这种新的基因编辑技术让粮食作物恢复“野性”,即恢复那些在长期的农业育种过程中失去的野生性状.许多具有高度经济价值的粮食作物( 大米、小麦、柑橘和香蕉) 对于多种病原体的抗性都很差；修复丧失的基因有可能增强这些作物的抗病能力.
既在学术机构任职, 也是Calyxt 生物技术公司科学家的丹尼尔·F·沃伊塔斯,正在尝试一种叫做“分子驯化”的方法恢复农作物的野生性状：将现有杂交品系的基因转入耐受性及适应性更强的野生品种中.沃伊塔斯说：“让野生品种具备各种优良性状,如改变果实大小或玉米穗数等,通常只需改变5—7 个基因.
而今我们不必花费10 年时间将野生品种与驯化品系进行杂交育种,只需直接对相关基因进行编辑,就能驯化野生品种.”
C R I S P R 技术问世以来对农业界产生了深刻影响.截至2015年秋,利用C R I S P R 技术对植物进行基因编辑的科学论文已发表了约50 篇,而且有迹象显示,监管部门对基因编辑作物的态度还未完全明朗,但多家公司已开始争相种植基因编辑作物,以期这些农作物最终能够进入市场.
基因编辑算转基因吗
CRISPR 技术的最大优势在于能够敲除基因组中的任何基因,或在基因组的特定位置插入基因,来为农作物导入优良性状.该技术的支持者认为,这是所有植物育种方法( 包括人类使用了数千年的“自然”育种技术) 中,生物破坏性最小的,而还让科学家在很多情况下避免使用颇具争议性的转基因技术( 即引入外源性基因).为此有些科学家对CRISPR 作物的前景表示乐观,因为他们认为这些作物与转基因作物具有根本性的不同,而这将改变人们对于G M O 食品的争论.杨亦农在为宾夕法尼亚州的农业生产者和美国农业部的官员介绍蘑菇研究项目时,他用了一个很能说明问题的短语——非转基因遗传修饰,来描述他的实验本质.这个经过仔细斟酌的新提法,是为了将C R I S P R 这类基因编辑技术,与早前将外源D N A 转入植物的农业生物技术区分开来.杨亦农和一些人都认为,微妙的措辞对于避免陷入G M O 那样的争论至关重要.二实际上已经开始出现“GEO”这样的缩写来替代“GMO”或“GM”.
不过,生物技术食品的批评者认为,任何形式的基因修饰都应该属于G M,它们都有可能造成意外的突变,对人类健康或环境构成威胁.
然而,像杨亦农和沃伊塔斯这样的科学家则认为,所有形式的植物育种( 可追溯到3000 年前新石器时代的人培育的小麦)都涉及基因修饰,而且传统的育种技术从生物学意义上来说并非是无害的.杨亦农说,它会造成“巨大”的遗传破坏性.
当C a l y x t 公司首次向美国农业部询问,是否需要对基因编辑的马铃薯进行监管审查时,美国联邦官员经过一年时间的审查后在2014 年8 月决定,基因编辑作物不需要特别考量；2015 年夏天,当该公司再次向美国农业部呈报他们的基因编辑大豆时,审查官员只花了两个月的时间就做出了类似的决定.对于生物技术公司来说,这说明美国当局认为,这些基因编辑的新技术与转基因技术有着本质的不同；而对于基因修饰技术的批评者来说,这意味着生物技术公司在钻监管体系的空子.杨亦农的蘑菇也许是向美国农业部呈报的第一种CRISPR食品.
不过,像C R I S P R 这样的新技术,还是促使一些政府重新审视G M O 的定义.瑞典的农业委员会在2015 年11 月裁定：某些用CRISPR 技术诱发的植物突变,不符合欧盟对于G M O 的定义；阿根廷政府也同样决定一些基因编辑作物不属于G M O 的管制范围.欧盟一直以来都对转基因作物有相当严格的管制,随着新的基因编辑技术的出现,目前它正在重新审核相关政策,但相关立法还没有这么快.
虽然关于这个问题没有什么中间立场,但沃伊塔斯和其他人还是提出了一个具有潜力的妥协方案：通过基因编辑导致的基因突变或基因敲除,应该被看作类似传统育种方式( 例如用于诱发突变的X 射线) 所导致的突变；而利用基因编辑引入新的D N A,则应该接受相应的监管审查.
公众反应尚难预测
消费者会同意那些科学家的乐观观点吗？还是会认为CRISPR作物是另一种转基因食品？由于CRISPR 技术现在才刚开始应用于粮食作物,这些问题还没有在大众中激起波澜,但它很快就会引起公众的关注.
虽然C R I S P R 技术比传统育种技术更精确,但也并非万无一失,因为这个精确的剪切工具也会对非目标区域进行剪切,存在“脱靶”的可能,这引起了一些人对该技术安全性的担忧.从G M O 农业起步初期就开始关注与此相关的科学进展与政策变化的美国北卡罗来纳州立大学的政策分析师珍妮弗·库兹马说：“精确性是这项技术的优点,但那并不意味着会降低相关的风险.脱靶剪切可能会产生完全不同的危害.另外,抵制第一代G M O 的公众,不可能仅仅因为只改变了少量的D N A,就接受第二代基因改造技术.他们还是会把C R I S P R食品跟以前的G M O 归为一类.”但是,库兹马更关心的是,在越来越多基因编辑食品即将涌入市场的新时代,如何更新整个监管结构,以及在审查阶段吸纳更多的意见.
杨亦农的蘑菇命运又将如何？在他的讲座结束时,种植蘑菇的种植者们除了礼节性的鼓掌之外,对于这个新技术并没有明显的反应和表态.明白这一点的杨亦农则告诉种植者们：“这种蘑菇能否商业化种植,完全取决于你们.”
抗褐变的蘑菇目前还暂时是验证性的实验项目.如果种植者不确信抗褐变蘑菇的价值,或是害怕消费者会抗拒,那么这些经过基因编辑、具有优良性状的蘑菇可能永无面世之日.对于在黑暗中生长的蘑菇,不见天日通常不是件坏事,但对于这项变革性的新技术来说,或许不是什么好兆头.
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