2021-12-22 10:53:00
在基因編輯中試熟化平臺(tái)培育的玉米幼苗。 受訪者供圖
■本報(bào)記者 張雙虎
一顆種業(yè)“高端定制”的“種子”已經(jīng)埋下，也許明年，基因組學(xué)精準(zhǔn)育種的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用就會(huì)在田間開花結(jié)實(shí)。
近日，全國(guó)首個(gè)植物基因編輯公共技術(shù)平臺(tái)在濟(jì)南正式啟用。專家認(rèn)為，此舉意味著我國(guó)生物育種技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用按下“加速鍵”，從而補(bǔ)齊我國(guó)基因編輯生物育種技術(shù)“基礎(chǔ)研發(fā)水平強(qiáng)，但產(chǎn)業(yè)化弱”的短板。
定制的“魅力”
“基因組學(xué)育種主要研究基因組的結(jié)構(gòu)、功能、進(jìn)化、定位和編輯等，是通過對(duì)作物基因進(jìn)行表型特征、定量分析及不同基因組比較研究，設(shè)計(jì)‘定制’作物品種，提高育種效率的一項(xiàng)顛覆性技術(shù)。”西北農(nóng)林科技大學(xué)教授、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部小宗糧豆專家指導(dǎo)組副組長(zhǎng)馮佰利在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說，“目前，我國(guó)科學(xué)家利用基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)、表型組學(xué)等多組學(xué)聯(lián)合技術(shù)開展分子設(shè)計(jì)育種，已經(jīng)在水稻、大豆、玉米、馬鈴薯等作物上取得了一系列重要進(jìn)展。”
10月中旬，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員田志喜團(tuán)隊(duì)培育的兩個(gè)大豆新品系——TZX-1736、TZX-805，在山東東營(yíng)黃河三角洲含鹽量高達(dá)0.5%的重度鹽堿地實(shí)收測(cè)產(chǎn)，創(chuàng)下了畝產(chǎn)520多斤的紀(jì)錄（遠(yuǎn)超2020年我國(guó)大豆平均畝產(chǎn)264.8斤）。
5月份，山東舜豐生物科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱舜豐生物）與山東師范大學(xué)合作，在《植物學(xué)報(bào)》在線發(fā)表論文，利用基因編輯技術(shù)敲除玉米基因組中存在的兩個(gè)水稻香味調(diào)控基因BADH2的同源基因，創(chuàng)制了世界首例香味玉米。
“目前，我們基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)基因編輯工具，在不同物種（作物）中，進(jìn)行了一系列活性和效率優(yōu)化工作，并成功應(yīng)用到多個(gè)物種的育種研發(fā)中。”舜豐生物運(yùn)營(yíng)總監(jiān)汪杰告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“我們創(chuàng)制了一系列新表現(xiàn)型‘材料’，培育出包括抗倒伏高產(chǎn)玉米，淀粉品質(zhì)改良水稻、馬鈴薯，超高維C生菜，高油酸大豆等多個(gè)新品種，為農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效做好了技術(shù)儲(chǔ)備。”
油酸是人體不能合成但又必需的不飽和脂肪酸，它不僅能有效降低有害膽固醇，還可維持有益膽固醇的水平，具有極高的健康價(jià)值。但傳統(tǒng)的大豆油酸只有20%左右，企業(yè)往往要從國(guó)外進(jìn)口高油酸大豆榨油，來滿足消費(fèi)者需求。而舜豐生物培育的高油酸大豆，油酸含量已達(dá)到80%以上，成為高附加值的新品種。
按下“加速鍵”
“作為生物育種技術(shù)的新銳，基于CRISPR/Cas系統(tǒng)的基因編輯技術(shù)被譽(yù)為近年來‘生命科學(xué)領(lǐng)域的革命性突破’，成為科技大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)激烈的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。”在平臺(tái)啟用儀式上，濟(jì)南植物基因編輯產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目首席專家、美國(guó)科學(xué)院院士朱健康說，“基因編輯產(chǎn)業(yè)即將在全球范圍內(nèi)迎來發(fā)展機(jī)遇期，有望成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。”
“該技術(shù)需要一個(gè)核心技術(shù)工具——基因編輯系統(tǒng)，它類似于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的操作系統(tǒng)。”汪杰說，“目前，科研和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用使用的基本都是基于CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)，而該系統(tǒng)專利，掌握在美國(guó)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室和公司手里。”
2018年，濟(jì)南在國(guó)內(nèi)率先布局植物基因編輯產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，通過政府扶持引導(dǎo)、頂尖團(tuán)隊(duì)承接、市場(chǎng)化運(yùn)作來共同推動(dòng)基因編輯技術(shù)在生物育種領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。該項(xiàng)目成立山東舜豐生物科技有限公司進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作，通過搭建世界領(lǐng)先水平的植物基因編輯公共技術(shù)平臺(tái)、基因編輯底層技術(shù)研發(fā)中心、上下游企業(yè)總部基地，打造全鏈條科技創(chuàng)新孵化及產(chǎn)業(yè)化體系。
目前，濟(jì)南植物基因編輯產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目已取得一系列重要階段性成果。其中，聯(lián)合中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)優(yōu)化的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)基因編輯系統(tǒng)——CRISPR-Cas12i和CRISPR-Cas12j，為基因編輯技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用掃除了“卡脖子”問題。他們還儲(chǔ)備了高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、綠色高效、營(yíng)養(yǎng)健康系列產(chǎn)品，圍繞基因編輯共性關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的專利布局，已申請(qǐng)專利100余項(xiàng)，其中PCT專利22項(xiàng)，獲得12項(xiàng)專利授權(quán)。
“基因編輯育種曾被部分人當(dāng)成轉(zhuǎn)基因看待，但它和轉(zhuǎn)基因有本質(zhì)的區(qū)別。”汪杰說，“比如，我們通過對(duì)大豆代謝通路中一個(gè)基因進(jìn)行精準(zhǔn)編輯來實(shí)現(xiàn)高油酸。這些調(diào)控只是針對(duì)大豆自身的基因進(jìn)行修飾，沒有插入外源的基因，不改變大豆本身的基因，它和轉(zhuǎn)基因完全是兩碼事。”
不久前，中國(guó)科學(xué)院植物所研究員景海春、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員田志喜、中國(guó)科學(xué)院院士種康和李家洋聯(lián)合撰寫，并刊發(fā)在《中國(guó)科學(xué)—生命科學(xué)》上的文章《分子設(shè)計(jì)育種的科技問題及其展望概論》中提到，目前多數(shù)基因組編輯技術(shù)形成的最終產(chǎn)品不含外源DNA片段, 只是編輯目標(biāo)生物自身特定基因組序列。因此，美、日已對(duì)基因編輯的農(nóng)作物豁免轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品監(jiān)管程序，英國(guó)也將放寬針對(duì)基因編輯農(nóng)作物和動(dòng)物的法規(guī)……
“之前監(jiān)管政策不很明朗，所以這方面的技術(shù)基本上都處于實(shí)驗(yàn)室或小試階段，沒有推向應(yīng)用。”汪杰說，“濟(jì)南這個(gè)平臺(tái)啟動(dòng)之后，研究和應(yīng)用推廣進(jìn)程都會(huì)大大加快。接下來我們將圍繞基因編輯工具和技術(shù)創(chuàng)新、主要農(nóng)作物優(yōu)良種質(zhì)創(chuàng)制、特種加工用途作物性狀改良、定制化農(nóng)產(chǎn)品研產(chǎn)供銷體系的搭建、營(yíng)養(yǎng)功能強(qiáng)化產(chǎn)品在大健康產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用及藥用植物功能活性物質(zhì)的開發(fā)等方面開展應(yīng)用合作。”
汪杰介紹說，目前不少成果在實(shí)驗(yàn)中效果不錯(cuò)，政策明朗后，這些技術(shù)很快會(huì)通過申報(bào)登記或經(jīng)安全評(píng)價(jià)后走向應(yīng)用。“樂觀的話，明年或后年，會(huì)在田間見到成果。”
讓精準(zhǔn)育種“開花結(jié)實(shí)”
“人們把基因組學(xué)譽(yù)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)研究的 ‘火車頭’、推進(jìn)農(nóng)業(yè)生物育種的‘發(fā)射臺(tái)’。”馮佰利說，“我國(guó)已初步建立了‘種質(zhì)資源收集鑒選評(píng)價(jià)與種質(zhì)創(chuàng)新—基因組測(cè)序與分析—功能基因挖掘—分子設(shè)計(jì)育種—品種試驗(yàn)示范推廣’的全產(chǎn)業(yè)鏈育種模式。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展以及人們對(duì)食品健康與營(yíng)養(yǎng)需求，人們將通過全基因組分子設(shè)計(jì)育種進(jìn)行個(gè)性化作物品種開發(fā)，研發(fā)個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)食品原料。”
馮佰利認(rèn)為，目前我國(guó)基因組技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用還未達(dá)到成熟階段，數(shù)據(jù)需要迅速積累，理論需要不斷完善；大群體重測(cè)序和表型數(shù)據(jù)獲取的成本目前仍然較高；而且，缺乏高效、完整的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)系統(tǒng)。
因此，當(dāng)前一是要加強(qiáng)種質(zhì)資源搜集、鑒選評(píng)價(jià)，加強(qiáng)優(yōu)異特色種質(zhì)資源的保護(hù)與利用。二是強(qiáng)化細(xì)胞工程育種、基因工程育種、分子標(biāo)記輔助選擇育種等前沿研究，創(chuàng)新農(nóng)作物育種基礎(chǔ)理論，突破育種關(guān)鍵技術(shù)，破譯作物遺傳密碼，挖掘控制重要性狀的關(guān)鍵基因，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)“經(jīng)驗(yàn)育種”到定向、高效的“精準(zhǔn)育種”突破。三是要構(gòu)建高效、安全、快捷的評(píng)價(jià)技術(shù)平臺(tái)，建立生物安全評(píng)價(jià)及管理示范體系。
“基因組學(xué)的發(fā)展極大促進(jìn)了精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種研究，但實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種，僅靠基因組還不夠。”田志喜對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說，“精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種需要在加強(qiáng)基因組學(xué)研究的基礎(chǔ)上，整合表型的精準(zhǔn)鑒定（精準(zhǔn)表型組），對(duì)性狀的決定進(jìn)行精準(zhǔn)解析（包括控制基因，基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及之間的最佳耦合），闡明不同環(huán)境下不同性狀之間的協(xié)同耦合，進(jìn)而通過多學(xué)科交叉（尤其是AI技術(shù)的引入，結(jié)合精準(zhǔn)編輯、合成生物學(xué)等技術(shù)手段）對(duì)性狀進(jìn)行精準(zhǔn)改造。所以，應(yīng)該以基因組為基礎(chǔ)，加強(qiáng)大數(shù)據(jù)科學(xué)驅(qū)動(dòng)的多學(xué)科交叉，最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種。”
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2021-12-21 第3版 農(nóng)業(yè)科技)
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