农业中的基因编辑工程与“剪刀手”

基因组编辑工程是一种新兴的比较精确的能对生物体基因组特定目标基因进行修饰的一种基因工程技术或过程，基因编辑依赖于经过基因工程改造的核酸酶，也称“分子剪刀”。因此，基因组编辑工程的科学工作者们一般被称为“剪刀手”，他们对目标基因进行“编辑”，通过对特定DNA片段的敲除、加入等基因实现技术，从而获得希望的结果。在我国，转基因工程的“剪刀手”们已把这一新技术用在了农业生产中。

目前，因与病虫害防治有关的各类基因的发现，以及植物转基因和微生物重组技术的一系列突破，特别是用于农业植物保护的基因工程产品，已得到大力开发并在农业生产上实现了商业化的应用。基因编辑技术的威力到底有多大？现就随小编一起来见识一下吧。

基因工程在病虫防治上的应用

病虫害是农作物的大敌，全世界每年有1/3的粮食遭其吞噬，经济损失是惊人的。因此，世界各国科学家如美国、比利时、俄罗斯等国家的遗传学家，利用基因工程培育出了抗病虫害的新品种。如把昆虫的毒素基因转移到棉花、玉米、烟草、番茄等作物中去，这些作物的细胞就能制造毒素，害虫吃了它们的茎叶，就会立刻中毒身亡。

抗病抗虫转基因的“导入”

日本的科学家将食菌性线虫和昆虫寄生线虫组合后，撒在土壤里，1年1次，杀虫率高达90%～100%。青枯病是一种细菌性病害，全世界马铃薯生产因青枯病、软腐病危害可减产25%左右，我国的“剪刀手”将人工合成抗菌肽基因导入马铃薯主栽品种——米粒，获得抗病性提高1～2级的转基因马铃薯株系。

目前，抗菌肽基因已经供给国内外许多研究单位，进行水稻抗白叶枯病、马铃薯软腐病、花生和番茄的青枯病、柑桔细菌性溃疡病、大白菜软腐病、樱桃根肿病等基因工程的研究，并取得了大量的科研成果，应用于农作物病害的防治中。在抗真菌病害的基因工程研究中，我国的“剪刀手”已经把几丁质酶基因、葡聚糖酶基因转入烟草作物，转基因烟草表现出明显的抗病作用，且已获得了抗矮缩病毒基因工程植株，将成为矮缩病的克星。

在抗虫基因工程研究方面，我国“剪刀手”成功地将Bt基因转入到我国棉花主栽品种，使我国成为继美国之后获得抗棉铃虫转基因棉花的第二个国家。目前，生产出多个抗虫棉的品种已投入商业化生产，为减轻棉铃虫对棉花的危害，受到了显著效果。

此外，我国“剪刀手”还将Bt基因成功地转入水稻主栽品种，转基因水稻对三化螟的毒杀效果达到90%以上。他们还成功地将Bt基因转移到杨树中，获得抗虫杨树，并且已在许多地方进行示范种植。

抗病抗虫转基因的“嫁接”

科学家从大自然观察中得到启示，发现有的植物被虫子咬得千疮百孔，而有的植物害虫避而远之，这是为什么？原来这些抗虫植物或具有粘性分泌物，或产生生物碱、酶抑制剂蛋白质等化合物，我们不妨称之为植物自身的“化学武器”。遗传工程师们所相中的正是这种新型“防虫武器”，他们通过遗传工程技术将这种蛋白质基因分离出来，“嫁接”到烟草、马铃薯、番茄、大豆、油菜等等农作物中，这种基因一旦在受体寄主植物中定居后，便以孟德尔遗传方式进行繁殖，并使后代奇迹般地获得了抗虫的新特性。

“剪刀手”将热带地区一种豇豆中的具有抗虫性的CPTI基因移入烟草属植株，可谓是迄今最成功的事例之一。他们在田间意外地发现，在豆科植物世界里横行猖獗的四纹豆象，却不敢接近这种枝叶嫩绿的豇豆。经查明，原因就在于其体内有种杀虫武器——胰蛋白酶抑制剂。据此，遗传学家借助于一种基因“剪刀”将CPTI基因粗心取出，通过一种根土壤杆菌的媒介，再“嫁入”烟草细胞中。至此细菌携带的CPTI基因便在烟草体内永远定居，并行使其抗虫的职能。据田间试验，凡携带CPTI基因的植物都具有极强的抗棉铃虫、粘虫、天蛾毛虫等害虫的能力。

利用生物基因“种出”杀虫剂

苏云金杆菌是一种杀虫的细菌，迄今在美国、英国、法国、瑞士等许多国家都已开始商品化生产，可防治30多种害虫。生物杀虫剂苏云金杆菌使用比较安全,但由于生产成本较高，晶体蛋白在田间使用时不够稳定，因而限制了它的商业性用途。生物技术的进步也为苏云金杆菌（Bt）杀虫剂增添了新的活力。“剪刀手”还成功地将Bt杀虫基因转入烟草，使烟草植株也产生Bt杀虫活性物质。试验表明，当烟草植物中Bt杀虫物质的含量仅为0.004%时，6天后烟草上的大蛾幼虫便全部死亡。目前，“剪刀手”正在试图获得能产生比烟草杀虫活力更高的杀虫棉株、杀虫稻株以及杀虫蔬菜等农作物。

如何保留它们的优点，克服其缺点？“剪刀手”利用基因重组技术，可将某种昆虫病原数生物进行遗传修饰，产生出新型生物杀虫剂——新一代生物杀虫剂。它们既具有原微生物的杀虫功能，又克服了它们的某些不足之处。例如，Bt是目前全世界都广泛使用的一种高效杀虫微生物，它有许多亚种和变种。比如HD-1对莱青虫一类鳞翅目的害虫有效，而以色列变种却对蚊子一类双翅目的幼虫有效。“剪刀手”应用生物工程手段，将这两个变种的基因拼接到一起，得到对上述两类害虫都有毒杀力的新的苏云金杆菌。“剪刀手”们更大胆地设想：把苏云金杆菌产毒素的基因“种入”植物细胞的DNA中，使植物获得抵御害虫侵袭的能力，当害虫去吞食食物叶片时便飞蛾扑火，自取灭亡。

即是“种入”了苏云金杆菌毒素基因的植物，除了自身能抵抗多种害虫的危害以外，还有可能把这种植物粉碎，作为杀虫剂作用。这样该生物杀虫剂的生产，既不需要建造设备复杂的工厂，也不需要消耗大量的能源，就可以在田野下“种”出来。苏云金杆菌产生毒素与菌体芽孢形成同时，遗传学家还设想将一个强大的、连续工作的启动因子与毒素基因融合，经过这种转化处理的细胞，有可能在整个发酵过程中连续地、大量地生产毒素。

“剪刀手”们设想：把毒素基因分离出来，搞清楚它们的核苷酸序列的功能区与调控区，把这些序列经过遗传修饰后制造出具有生物活性的物质，再将这种遗传物质导入到特定的微生物中，从而利用连续发酵培养的方法，来进行大规模工业化生产，这样不仅能大大降低成本，还能实现在单位时间里能生产更多的产品，使人们得到大量的这种生物杀虫剂，来用于农业害虫的防治。

“剪刀手”让高粱“剪”出稻花香

因为米香浓郁，稻花香米是很多家庭餐桌上的“宠儿”。现在，科学家通过基因编辑技术让高粱也拥有了“稻花香”。近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所（以下简称遗传发育所）研究员谢旗研究组利用“基因剪刀”技术，在高粱中首次敲除了一种酶的基因，创制了新型香高粱，相关研究近日发表于《植物学报》。

“这是一项非常棒的研究。”一位审稿人评价说，改良香高粱茎叶不仅对吸引食草动物具有良好的效果，籽粒在酿酒等工业中也具有广阔的应用前景。

扑鼻而来的“鲜虾味儿”

在北京中科院奥运村科技园区的温室大棚里，记者看到了谢旗研究组培育的新型香高粱。记者把鼻尖凑近这种作物的叶片时，就能闻到淡淡的米香。为了让记者更直观地感受这种香气，论文第一作者、谢旗研究组博士生张丹分别采集了野生高粱和新型香高粱的叶片，将其浸泡在盛有低浓度的氢氧化钾溶液的安瓿管中。

几分钟后，记者打开管盖便感受到明显的嗅觉差异：一个安瓿管散发出淡淡的青草味儿；而另一个安瓿管中浓郁的“鲜虾味儿”扑鼻而来，后一种正是香高粱。

香味是食品的一种重要品质性状，相较于普通大米，香米因其诱人的气味而更受消费者喜爱，进而产生更高的经济价值。世界著名的印度茉莉香米和中国东北五常稻花香米就是其中的佼佼者。那么，这种香味究竟是如何产生的？张丹向记者介绍，这是因为一种重要的挥发物2-乙酰-1-吡咯啉（以下简称2-AP）在起作用。“水稻中的甜菜碱醛脱氢酶（BADH2）的不同突变类型均可导致2-AP积累，产生香味。”

“剪刀”下去后“香味”来了

科学家发现，2-AP挥发物实现机制在很多作物中都是保守的。除了水稻，玉米、高粱、菜豆、黄瓜等多种作物都会因此散发出独特的香味。目前，我国的“剪刀手”们利用基因编辑技术已经获得了香稻品种和香型玉米材料。创制香型高粱材料，培育稻花香型高粱品种，将引领高粱膳食纤维食品、酿酒、酿醋、饲草动物饲料等产业的高品质发展。

利用“基因剪刀”CRISPR/Cas9，研究组敲除了高粱的SbBADH2基因，创制了新型香高粱。相比于野生型，突变体的种子和叶片均散发出独特的茉莉花香味。经过检测，突变体籽粒和叶片中2-AP含量积累显著。

“香味是主粮和水果的重要特征。过去虽然在一种野生高粱中发现了芳香种质，但难以大规模工业化生产。”一位审稿人写道，作者用CRISPR/Cas9技术培育了香高粱，这为在大豆、大麦等其他作物中改良该基因片段提供了示范。

让食物更具吸引力

这款新型香高粱已经“俘获”了一些哺乳动物的胃。在兔子喂食实验中，研究人员将野生型高粱和SbBADH2突变植株的叶子低温烘干后磨成粉，分别均匀混入饲料中。相比于野生型高粱，添加香高粱植株干粉的饲料对兔子更具吸引力，显著提高了兔子的采食量。

我国是饲料进口大国。据报道，2020年我国粮食累计进口量超过1.4亿吨，其中近80%的农产品进口用于养殖业的饲料。高粱是青贮饲料的第二大来源。谢旗希望能将香高粱的性状与他们研究的其他优异高粱性状相结合，促进畜牧业的健康发展。该研究组先后开发了甜高粱、耐盐碱高粱等种质资源，目前已经过国家审批，在新疆、宁夏、甘肃、内蒙古、山东、江苏等地实现了50万亩的推广种植。

除了用作饲料，高粱也是我国酿酒和酿醋的主要原料。香高粱的引入又会给这些领域带来怎样的变化？谢旗透露，目前课题组正在与中国科学院微生物研究所的科学家合作，尝试用香高粱酿酒，改善其风味和品质。

“目前，我们还是在实验室中培育和种植少量的香高粱突变作物。”谢旗表示，日前公布的《农业用基因编辑植物安全评价指南（试行）》将进一步促进我国生物育种技术和产业的发展。未来，香高粱衍生食品、特色香酒和特色香醋等新产品有望走上餐桌。