基因编辑 拯救柑橘

石楠

佛罗里达州是美国重要的柑橘产区，近年来，柑橘黄龙病对这里所有的柑橘树造成了巨大的威胁。科学家们正试图通过一种新技术对柑橘的基因进行修改，以得到对黄龙病免疫的柑橘树种。

生病的柑橘树

正是柑橘成熟的季节，柑橘种植农布莱克却忧心忡忡。他查看着自家的柑橘树，从树叶上拂下几个小小的灰点，那是亚洲柑橘木虱。这种小虫比一粒米还小，但它们传播的柑橘黄龙病却足以毁掉佛罗里达州整个柑橘产业。

从19世纪50年代开始，布莱克家族就在佛罗里达州种植柑橘，至今已经过了五代。布莱克家族经历过飓风、霜冻和害虫带来的种种打击，但在过去十年左右的时间里，他们眼看着黄龙病变成了最严重的灾难。

柑橘叶片上长黄斑是柑橘黄龙病的代表性症状。在布莱克的柑橘林中，几乎所有正在结果的柑橘树都感染了这种疫病。造成黄龙病的病原体是一种韧皮部杆菌，这种病菌会入侵并阻塞柑橘树的韧皮部。韧皮部是植物体内运输有机质（主要是糖分）的内部管道系统，植物叶片光合作用产生的糖分会通过这些管道运到根部、枝干和果实。当柑橘树的韧皮部被阻断时，其光合作用和营养供应都会受到巨大的影响。一些柑橘树可能因此“饿死”，幸存的树木结出的果实也常常是酸涩、畸形的。在1997年，这个行业的鼎盛时期，佛罗里达州的柑橘种植面积超过4000平方千米，产量高达2.44亿箱。然而，由于黄龙病和“厄玛”飓风的“两连击”，2018年该州柑橘的预期产量仅有4600万箱，这是自二战以来产量最低的一年。美国农业部已经花费了近5亿美元来对抗黄龙病，但至少在目前，美国还不得不从巴西进口橙子等柑橘类水果。

除了柑橘以外，很多农作物都饱受病虫害的威胁。现代农业大多采用单作模式，即在大片土地上种植单一的作物，这些作物在基因上高度相似，便于统一管理和收获。但这也意味着，当疫病发生时，同种作物会接连被感染。此外，贸易全球化也意味着疫病可以传播得更快更远，而气候变化会影响昆虫的分布，导致某些地区出现新的害虫，带来新的病原体。另一方面，随着人口增长，人们对食物的需求也越来越大，到2050年，全球农业要为100亿人提供口粮。而一种新兴的基因工程技术——基因编辑可能是解决这些问题的关键之一。

基因编辑解决方案

2005年，美国迈阿密的柑橘首次出现了黄龙病感染，这令全美国的柑橘种植者感到担忧。这种来自亚洲的疫病早已臭名昭著，因为早在一个世纪前，黄龙病就曾对中国的柑橘种植业造成过巨大打击。随后，黄龙病在美国蔓延，与此同时，全世界还有几十个国家也出现了不同程度的黄龙病疫情。

当黄龙病在佛罗里达州肆虐时，遗传学家弗雷德·格米特等科学家从柑橘行业组织申请到一笔资金，用以对柑橘树的基因进行测序。科学家们认为，他们也许能从柑橘树的基因图谱中找到某种遗传学解决方案的思路。在众多病树中间，科学家们发现了一些强大的“幸存者”。这些树虽然会被感染，但症状较轻，并能结出健康的果实。研究人员正试图找出它们体内与抗病性相关的基因。

当他们在2011年发布第一个柑橘基因组序列时，测序技术的成本已经大幅下降。第二年，CRISPR基因编辑技术诞生了。这项技术为植物育种带来了新的可能。

相比以往的转基因技术，基因编辑技术更加精准、快捷，而且成本也较低。这一技术的另一个优勢是：通过基因编辑，科学家可以在不引入外源遗传物质的前提下对植物基因组进行修改，这样就可以绕过转基因这一“雷区”。

在植物中进行基因编辑的难点之一是，怎样把CRISPR组件导入植物细胞内。过去，科学家使用农杆菌将相关序列导入植物细胞中，但这种方法仍然属于转基因的范畴。最近，研究者开始使用“基因枪”将CRISPR组件直接“射入”细胞。基因枪既没有枪管也没有扳机，它发射的“子弹”是纳米级的金粒子。科学家将CRISPR组件包裹在金粒子表面，通过基因枪将其高速发射，这些粒子就会穿透植物细胞膜，将CRISPR组件导入细胞。

经过基因编辑的植物细胞还只是单个的细胞，科学家们使用组织培养技术将它们培育成一棵棵小苗。这项技术依赖于植物细胞的全能性。每个单独的植物细胞在一定的条件下能发生脱分化，成为全能的“干细胞”，并增殖分化成为完整的植株。

希望的树苗

在佛罗里达大学柑橘研究和教育中心，生物学家王年和他年轻的团队正试图通过基因编辑技术培育出一种抗黄龙病的柑橘。对柑橘进行基因编辑是一项很有挑战性的工作，柑橘并不是模式生物，它们的基因组相当复杂。所幸，所有的柑橘属植物（包括柠檬、柚子、橘子和橙子等）在基因上都非常相似，这意味着相同的基因编辑方案可用于多个物种。

具有讽刺意味的是，科学家们还没能在实验室里培育出黄龙病的病原体，这使得研究变得更加困难。另一个障碍是，黄龙病是一种相对较新的疾病，因此植物自身对其抵抗力很弱，缺少具有研究价值的抗病基因。科学家们研究了柑橘的进化史后发现，尽管人类种植柑橘的历史已有几千年，但柑橘黄龙病直到最近几个世纪才出现。柑橘类植物还没能在这么短的时间内发展出抗病能力，即使是野生的柑橘种类也饱受黄龙病的摧残。

那么，如果科学家能对柑橘这样复杂的植物进行基因编辑，他们的经验对其他作物的基因编辑也会很有用。王年团队在过去的一年取得了重大突破，他们已经确定了13种可能导致柑橘易感染黄龙病的潜在基因。现在，他们正用基因编辑技术来敲除这些基因。研究人员并不知道哪个或者哪几个基因是抵抗黄龙病的关键，因此，他们尝试了所用可能的组合。

经过基因编辑的植株都先被放置在培养间。在这个略显拥挤的小房间中，植物生长灯照亮了架子上一排排培养皿和培养瓶。这些小小的瓶子里可能装着柑橘种植业救星，但答案要在几年后才能揭晓。

柑橘树需要数年才能达到成熟期。在编辑了柑橘树的基因组后，研究人员将不得不耐心等待小树苗长大。两年之后，他们才能将植物暴露在柑橘黄龙病中。只有到那时，研究人员才知道这棵树是否对其具有免疫力。即便这一步取得了成功，他们还得再等上几年才能让抗病植株结出果实，以确保果实风味不减。

尽管距离培养出抗黄龙病柑橘还有很长时间，但这项工作已经给柑橘种植业带来了一些希望。培养瓶中的小苗长大后就会被种在温室里。温室里有一棵健康的葡萄柚树，这是经过基因编辑的抗柑橘溃疡病（一种危害较大的柑橘疫病）的植株。

转基因、基因编辑与农业的未来

据估计，到2050年全世界总人口将达到97亿，更多的人口意味着对衣食住行更多的需求，而其中最基本的就是食物。举例而言，到2050年，全球粮食产量至少要比现在增加一倍，才能喂饱那么多人。

另一方面，气候变化会给农作物生产造成更多障碍。越来越多极端天气的出现将给农作物生长带来重重困难；而由于气候变暖，生活在温暖地带的昆虫和病菌可能会扩散到原本较为寒冷的地带，带来更多植物病虫害。

面对这样的困境，我们必须采取一系列措施，比如改进农业管理技术，培育高产抗病的新品种作物等。随着分子生物学的进步，基因工程育种已成为颇具潜力的育种方法。

然而，转基因育种的发展并非一帆风顺。除了本身的技术难题和成本问题外，公众对转基因技术的不信任也是一大阻碍。转基因作物的推广不太顺利，传统的育种方法又过于低效，科学家不得不开始考虑其他的育种方法。最近，很多育种专家把目光投向了正在蓬勃发展的基因编辑技术。

转基因农产品的困境

很多人对转基因作物抱着怀疑甚至抗拒的态度。但实际上，转基因作物的加工制品在我们的日常生活中随处可见。以美国为例，美国种植的玉米和大豆大部分都是转基因品种，而这两种作物被广泛用于食品工业。大豆油、大豆蛋白、玉米淀粉、玉米糖浆等常见的食品原料通常都是由转基因作物制成的。制造奶酪的凝乳酶也来自经过基因改造的微生物。

转基因玉米和大豆早在20世纪90年代中期就在美国上市。最初对转基因作物的反对声音来自种植这些作物的农民，他们的不满主要是针对生产转基因种子的企业而非转基因本身。因为这些企业提高了种子和农药售价，并实施过度严苛的专利保护政策，很多农民颇有怨言。后来，一些普通民众也对转基因产物产生了不满和质疑。

美国国家科学院在2016年发布的一份大规模研究报告表明，转基因作物是安全的，且与常规作物的营养价值没有差别。但公众对转基因的认识还很模糊。就在2016年，美国一项民意调查显示，绝大多数人表示转基因没有什么了解；大约一半人不确定他们是否吃过转基因食品；虽然有16%的人表示自己对转基因生物十分关心，但他们的看法基本上是负面的。

市场营销助长了公众对转基因的偏见。美国一些超市有“非转基因农产品”专区，很多食品的包装上也贴着“非转基因”的标签——尽管大多数农作物根本没有转基因的品种。食品生产商将“非转基因”视为一种宣传口号，这就是为什么有“非转基因天然盐”这样的产品出现的原因，而显然，氯化钠根本没有DNA。这就是一种营销的噱头，不算高明但很有效。

很多科学家相信，转基因育种有可能解决从作物病虫害到农药滥用等各种问题。但消费者的态度也影响了农民对作物品种的选择，尽管美国监管部门不要求对转基因农产品做特别标示，农民也不愿意冒险种植消费者可能不喜欢的作物。

基因编辑——育种学的未来

近几年，基因编辑技术飞速发展，给作物育种带来新的希望。常规的转基因技术通常涉及在作物基因组内插入来自完全不同物种的DNA，且插入位点无法控制，而基因编辑则可以针对特定位点对作物基因组进行精确可控的修改。经过基因编辑的作物，既不含其他物种的基因，其基因组与常规作物的基因组也只有微小的差别。在自然条件下，植物体内也会发生基因突变、缺失和重组，基因编辑从结果上看和这些自然变异是类似的，只是省去了人工筛选的程序。

2016年4月，美国农业部（USDA）为第一批CRISPR编辑作物开了绿灯，包括一种能抵御褐变的蘑菇和一种不含直链淀粉、只有支链淀粉的糯玉米。在此之前，已经有一些通过其他技术“编辑”过的作物获批上市。美国农业部在一系列文件中解释道，这些新型基因编辑作物不需要作为转基因生物（GMO）进行管理，因为它们与传统培育的植物基本上没有区别。

相比转基因大国美国，欧洲各国对基因编辑的态度要谨慎得多。一些欧洲国家对转基因农产品有着严格限制，尽管目前这些国家的政府对农作物基因编辑采取不干预的态度，但一些民众认为，政府应该像对转基因作物一样对基因编辑作物进行严格监管。

基因编辑技术能否摆脱“转基因”的阴影？它会对未来的农业产生多大的影响？现在看来还都是未知数。

基因编辑与CRISPR-Cas系统

CRISPR/Cas系统是目前最常用的基因编辑工具，它是一种存在于很多原核生物（细菌、古菌）中的一种后天免疫系统。当细菌被病毒侵染时，它们会把入侵者的DNA片段整合在自己基因组的CRISPR序列中，作为“通缉照片”。当同样的病毒再次“入侵”时，细菌就能迅速识别这段序列，并转录出一种特殊的RNA（crRNA），引导Cas蛋白在特定位置剪切病毒的DNA，使其失活。

2012年，美国生物学家詹妮弗·杜德纳与法国生物学家埃马纽埃尔·卡彭蒂耶联合进行了一项研究，她们利用人工合成的crRNA序列和一種Cas蛋白（Cas9），在体外进行了DNA序列的精准剪切。随后，对基因编辑的研究突飞猛进。现在，科学家已经可以利用CRISPR/Cas系统精确地在动植物基因组中定位和修改特定的基因。