高彩霞：植物基因的“剪刀手”

文|柴帆

高彩霞：植物基因的“剪刀手”

文|柴帆

导语高彩霞以及像她一样用一生的时间致力于基因编辑研究的育种家们，就像《权利的游戏》中的长城守夜人一样，守着一片方土，守着它的漫漫黑夜，直到黎明降临。

6月21日凌晨，国际权威期刊《自然》网站在首页显著位置上线了一篇对10位中国科学家的特写。经过反复审议和讨论，《自然》评选出了10位“中国科学之星”，在农业科学领域，中国科学院遗传发育所植物细胞与染色体工程国家重点实验室高彩霞研究员入选其中。

中国之星

2016年，因为韩春雨研究事件，让公众对基因编辑兴趣盎然。随之，它背后的科学家们也逐渐浮现在大众视线，高彩霞便是其中之一。

第一次听到高彩霞的名字，是从中国农业科学院的一位研究基因编辑的老师那里，那位老师这样评价高彩霞：

“她是我们国内在研究基因编辑的科学家里面真正做出实事的，也是真正有研究成果出来的科学家，我很佩服她。”

一头精干的短发，一个憨厚的面庞，一口爽朗的话语是人们对高彩霞的第一印象。这个被《自然》杂志评选为“中国之星”的女人，在小麦抗白粉病生物技术领域有着卓越成就。

回想当初，在刚开始使用横扫全世界生物学实验室的CRISPR並Cas9技术进行基因编辑的时候，高彩霞有些犹豫。那时候，她的实验室已经使用旧技术实现了82个基因的突变，在这样的情况下使用新技术，无疑是大胆的，转用新技术的念头也无疑是让人畏惧的。

高彩霞说：“一开始，我遇到了一些阻力，然后我们决定，无论如何，都得试试。”

通过一年的紧张工作，2013年，高彩霞团队率先利用CRISPR/Cas系统对水稻和小麦的多个基因进行编辑，并且获得了世界上第一株CRISPR编辑的植物。她所在的中国科学院遗传与发育生物学研究所的实验室也由此成为第一个在农作物，特别是小麦和水稻上成功使用这项简洁的革命性基因编辑技术的实验室。

2016年2月23日，国际著名技术评论期刊《麻省理工科技评论》公布了2016年十大技术突破。高彩霞和她团队关于植物基因精准编辑技术的研发成果名列其中。麻省理工科技评论指出，该技术能够精准、高效、低成本地进行植物基因组编辑，有望用于生物安全的作物遗传改良和定向育种，提高农业生产率，满足日益增长的人口需求。

小麦抗白粉病

电影《剪刀手爱德华》讲述的是机器人爱德华独自在古堡生活，直到佩格误闯城堡把他带回了自己的家，与佩格的女儿金相恋后却无法在一起的故事。爱德华的制造者是一个类似科学怪人的发明家，还没来得及为他制作双手便一命呜呼，因此爱德华只有一双异于常人的剪刀手。这双剪刀手可以修建花园，可以修建头发，不管是什么，只要在爱德华的剪刀手下，都是精美绝伦。

研究基因编辑的高彩霞就如那爱德华一般，拥有一双神奇的剪刀手，这双剪刀手，可以将植物的劣性基因敲出，从而使得植物保持优良的发展特性。

小麦是中国乃至世界上重要的粮食作物，为人类提供约20%的能量。白粉病是小麦的重要病害之一，严重影响到小麦的产量和品质。在与小麦亲缘关系较近的大麦中，MLO基因的功能缺失突变使其对白粉病产生广谱和持久的抗性。这种抗性在生产上已应用了三十多年还没有被打破，但由于生殖隔离，大麦的这种优良性状不能直接为小麦所用。

由于在普通小麦A、B、D基因组上MLO基因各有一个拷贝（TaMLOA1,TaMLO-B1,TaMLO-D1），对小麦MLO基因的缺失突变有望获得具有广谱抗白粉病的品种。

2014年高彩霞课题组与邱金龙课题组合作，利用基因组编辑技术首次在六倍体小麦中对MLO基因的三个拷贝同时进行了突变，获得了对白粉病具有广谱抗性的小麦材料。

这项研究利用TALEN技术在小麦MLO基因第二个外显子的一个保守区设计了一对TALENs。在T0代转基因植株中检测到35个MLO基因突变体，这些突变体包含单拷贝，双拷贝以及三拷贝的突变。经过对获得的突变体的后代分析表明，TALEN诱导的突变在小麦里可以稳定遗传到后代，并符合孟德尔遗传规律。突变体材料经过一代或两代自交，获得了MLO基因不同组合的纯合突变体（tamlo-aa,tamlo-bb,tamlodd,tamlo-aabb,tamlo-aadd,tamlobbdd,tamlo-aabbdd）。

经过对这些纯合突变体接种小麦白粉菌，发现只有MLO基因在小麦A、B和D基因组上的三个拷贝同时突变的小麦纯合突变体tamlo-aabbdd表现出对白粉菌极为显著的广谱抗性，而其他组合的突变体则和野生型一样没有表现出抗病性。高彩霞通过研究发现，小麦MLO基因的三个拷贝在功能上存在冗余，只有同时突变三个拷贝才表现出抗病性，这也可能是到目前为止在自然条件下或利用传统育种手段而没有获得小麦mlo抗病材料的主要原因。

研究还利用CRISPR/Cas9系统实现了对小麦MLO基因的定向突变，原生质体和转基因植物中的结果表明突变只发生在A基因组上。结果表明，在多倍体的小麦中，利用基因编辑技术既可以同时突变多个拷贝，也可以特异地突变单个基因拷贝。此外，研究还利用基因组编辑系统引发的DNA自身修复途径非同源末端连接，在小麦里实现了基因的定点插入，插入的片段可以稳定遗传，这可用于创制不能由简单基因敲除而产生的有价值遗传特性。

小麦抗白粉病研究为小麦基因功能的研究以及培育小麦新材料或品种的创制提供了一个全新的思路和技术路线。得到了中国科学院重点部署项目、科技部以及国家自然科学基金的资助。

激流勇进的人生

小麦抗白粉病研究是高彩霞回国后在基因编辑领域所取得重要成就。明尼苏达大学的植物生物学家丹尼尔·沃伊塔斯说：“如果我们想在基因工程方面获得任何成就和经验的话，那灵活行事，适应日新月异的新技术是必不可少的，彩霞就有适应的能力。”

在高彩霞的整个职业生涯中，她一直都在适应着新变化。上大学的时侯，高彩霞本想学医，但被分配到了农学专业。

高彩霞说：“我对农学一点也不感兴趣，但我的信条一直都是：只要干这一行，就要尽力而为。”

这个世界上，有人喜欢安逸，有人喜欢折腾，高彩霞便是折腾中的一员。她似乎永远在追逐着什么，每当一个目标达成的时候，她很少止步不前。高彩霞的生活就像激流勇进的波涛一般，劈波斩浪的一刹那，击起朵朵浪花，有惊无险。

在完成关于草原生态学的博士研究后，高彩霞再次转行，在丹麦罗斯基勒市的丹农种子公司（DLF）从事植物基因工程工作。在任职于DLF公司的12年里，高彩霞实现了一次又一次的突破——完成了对几种性状的基因改造，包括控制重要草种的开花时间。

高彩霞以乐观著称，但再乐观的人，在毫无进展而言的研究面前，也会难免有些烦躁。在寻找将外来基因植入草中的方法时，因许多草类都难以改造，而且每一个物种，或者甚至同一物种内的基因变异型都有可能需要特殊的生长条件组合，这是非常磨人的，这项工作让高彩霞备受煎熬，即便如此，她仍然没有放弃。

高彩霞的同事劳斯·尼尔森说:“她一直在坚持。到最后，她能在显微镜下看到其他人都看不到的东西，每一次，她都在做出突破。”

她和它的未来

对基因编辑的作物，美国选择部分承认。但是，在欧洲，大多数国家还在考虑阶段，欧洲对基因改造作物的怀疑让高彩霞对自己的工作能否走出实验室感到悲观。高彩霞说:“让一种作物上市非常困难，到最后，工作本身也无法再激励你了。”

研究成果的未来不明以及让孩子回到中文和祖国文化环境的愿望促使高彩霞选择了回国。对于回到祖国，高彩霞认为这是做的最正确和最有意义的一件事情。

在我国，官方对于资助农业研究的重视程度要高于欧洲。虽然对基因编辑的作物持观望态度，但并未限制其发展。高彩霞认为中国在不久的未来也将对基因编辑的农作物会有明确表态，她觉得自己的研究成果进入市场是非常有希望的。就在近期，美国农业部已宣布高彩霞团队创制的抗白粉病小麦是非转基因产品，不受转基因法规管控，抗白粉病小麦可直接进入大田验证其抗病性及其它相关性状。

植物基因精准编辑技术是我国科学家在农作物育种及基因改良技术创新上的重大突破，也为我国农作物育种研发实现弯道超车提供了机遇，对我国抢占下一代的生物技术育种的发言权具有标志性意义。高彩霞以及像她一样用一生的时间致力于基因编辑研究的育种家们，就像《权利的游戏》中的长城守夜人一样，守着一片方土，守着它的漫漫黑夜，直到黎明降临。

或许，未来三五年之内，中国对于基因编辑的农作物的态度将会随着发展和欧洲的逐渐认可而变得明朗起来。彼时，育种家们将会迎来他们的黎明，基因编辑也将迎来属于它的黄金时代。

（注：本文部分资料根据《自然》、中科院网站、《麻省理工科技评论》综合整理。）