今年获诺奖的基因剪刀将“剪”出香味四溢大米

文/张田勘 中国大百科全书出版社

2020年10月7日，瑞典诺贝尔奖委员会宣布，将2020年度诺贝尔化学奖授予美国加利福尼亚大学教授詹妮弗•杜德纳（Jennifer Doudna）和现在德国马克斯•普朗克感染生物学研究所工作的法国教授艾曼纽尔•卡彭特（Emmanuelle Charpentier），以表彰她们发明了基因修饰方法CRISPR-Cas9。

CRISPR-Cas9因何获诺奖

基因修饰方法，被人们通俗地称为基因剪刀。

比较而言，CRISPR-Cas9是一种迄今比较精确而且切割速度较快的基因剪刀。利用这把剪刀，人们可对动物、植物和微生物的DNA进行有目的的编辑加工（剪切、删除、位移和增加等），从而治疗疾病尤其是遗传病；人们还可获得想要的作物和生物产品。

CRISPR的全称为“规律成簇间隔短回文重复（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）”。而Cas是Caspase的简称，其全称是“含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶”，是一组蛋白酶，Cas9是其中之一。此外，与CRISPR一起发挥功能的还有其他酶，如核酸酶蛋白Cpf1。由此CRISPR也可称为CRISPR/Cas系统，包括CRISPR/Cas9、CRISPR/Cpf1、CRISPR/C2c1和CRISPR/C2c2等，它们都是基因剪刀，但应用最多的是CRISPR/Cas9。

基因剪刀为何瞄向香米

以CRISPR-Cas9为代表的基因剪刀，在农业上能够创造更多满足人类生存和消费需求的新产品，其中就有多种多样的水稻产品。现在，全球水稻种植面积已达23.97亿亩，有113个国家种植，是全球一半以上人口（38亿人）赖以生存的基本食粮，也是大多数中国人的基本食粮。而且，全球水稻90%生产于亚洲。

以袁隆平为代表的科学家创造的高产型水稻已基本能满足人们对稻米的饮食需求，由此也产生了吃上营养更高、味道更好的高质量稻米的消费需求。其中，香稻就是最能吸引消费者的一种水稻品种。

作为水稻家族中的特殊成员，香稻栽培历史相当悠久，世界上各水稻生产国或地区几乎都有独特的香稻品种。国际市场上著名的香米品种主要有泰国香米（Khao Dawk Mali 105）、巴基斯坦香米（Basmati）、印度香米（Jccrakasala）、印尼香米（Scratns Malam）、菲律宾香米（Milagrosa）、美国香米（Della）等。

中国同样有香米，而且有很丰富的香稻资源，诸如湖南的江永香米、山东的曲阜香稻、陕西的洋县香米、广西的靖西香糯、广东的增城丝苗香米、浙江的龙泉香稻和福建的过山香米等。然而世界各地的香米都表现出一种特点，即只在一个特定地区产出，其生态适应范围窄、地域性很强，因而难以满足更多人的消费需求。

巴基斯坦香稻Basmati370引种到菲律宾种植后，香味会明显减少。中国湖南的江永香米产地只局限于江永县源口乡特定的几十亩稻田，如果移栽到其他地方，不但产量低，香味也会消失。此外，山东曲阜香稻仅适合在城关、息陬一带种植，移植到其他地方也会失去香味。

研究人员认为，这与香稻的遗传基因和生境相关，后者主要指栽培过程中土壤、气候等生态条件，因此香稻是香味基因和环境相互作用的结果。为了提高香米产量，需要在水稻遗传基因和生境方面创造条件。现在，以CRISPR/Cas9为主的基因剪刀不仅可在遗传基因上增强香味基因，还可对普通水稻增添香味基因，从而可能生产出更多香稻，让人们吃上香喷喷的大米。

早有研究发现，2-乙酰-1-吡咯啉（2-Acetyl-1-Pyrroline，2-AP）是香稻香味特征化合物和主要香气的贡献物，它的含量不同决定了稻米的香味有所不同，因为2-AP的含量在不同香米品种间存在差异，当然更是多于普通稻米中的含量。进一步的研究还证实，巴斯马蒂香型、茉莉香型等不同香味类型香稻中香气的主要成分均为2-AP。因此，针对2-AP的基因改造就成为研究重点，而这就需要基因剪刀CRISPR/Cas9来帮助。

同时，研究还发现，2-AP受到其他作物基因抑制，其中主要的就是BADH2，它是编码甜菜碱醛脱氢酶的基因，但是会抑制水稻的香味基因2-AP。研究人员发现，完整的全长BADH2蛋白（503个残基），仅出现在无香味的转基因品系和水稻品种中。而且，在香米品种中转入BADH2基因，香米稻中的2-AP含量会显著降低，香气损失，这证明BADH2是控制米香的主效基因。

由此证明，BADH2编码的全长BADH2蛋白可抑制2-AP的生物合成，从而使水稻变得没有香味。后来的研究还发现，系由BADH2基因中8bp碱基缺失而使其原有功能丧失，导致2-AP在水稻中大量积累从而产生香味，这或许就是香稻和普通水稻在遗传基因和基因表达上的重要原因。

CRISPR/Cas9怎样“剪”出香米

过去香米品种的培育，是利用杂交方式将香米基因转入普通稻米中，尽管可通过分子标记进行辅助选择，但这个过程比较复杂，且周期较长。后来，比较有效的方式是利用基因剪刀切割或敲除BADH2基因，使其不再抑制香米的香味基因2-AP，让香米产生更多的香味，而且把香味基因2-AP转入普通水稻中，也可让普通稻米产生香味，成为香米。

既往研究人员已在利用另一种基因剪刀，转录激活因子样效应物核酸酶（TALEN），敲除水稻BADH2，以使水稻获得香味。但是，这种基因剪刀需要依赖于上下游序列，脱靶率高，且具有细胞毒性，因而改造香米和创造香米的效果并不是很好。

现在，研究人员采用更高效和更准确的CRISPR/Cas9基因剪刀，能在水稻活细胞中更有效、更便捷地“编辑”香米基因以及其他基因。利用CRISPR/Cas9，对蜡质基因（Wx）、BADH2两个基因进行切割或导致其突变（敲除BADH2中的8bp碱基），可解除其对香味基因2-AP的抑制，从而增加2-AP的积累和含量，同时产生较低直链淀粉含量（13%～18%）的营养性较高的大米。

直链淀粉（Amylose, AM）和支链淀粉（Amylpectin, AP），是稻米淀粉的两种类型，二者组成比例决定了稻米的食用品质和加工品质。现在，也有研究人员采用CRISPR/Cas9基因剪刀敲除水稻蜡质基因Wx，成功地将突变体水稻的直链含量由14.6%降至2.6%，获得糯性稻米，成为更有营养的稻米。

尽管现在的研究还只是处于育种和产生优质新种阶段，但是可以解决香稻和高质量水稻基因的问题，而剩下的另一个大问题当然是要研究香稻生产的生境。国外研究表明，香稻品种之一的Khao Dawk Mali 105中2-AP的含量受干旱气候的影响。国内研究表明，香稻产地土壤中的有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷含量以及铁、锰、铜、锌等微量元素含量均高于非产地。对中国的中香1号和田东香稻种的研究发现，在川陕盆地单季稻两熟亚区种植后，其籽粒糙米中的2-AP含量最高，原因可能是各个稻区间海拔高度存在差异。还有研究认为，锌是水稻香味产生的必需元素之一。

由此，只有从基因和生境两个方面着手，才有可能创造出更多更好的香米，以满足人们需求，而以CRISPR/Cas9为代表的基因剪刀的出现，为研究人员研发出更多的香米提供了条件。

稻米中的营养蛋白可分为谷蛋白、醇溶蛋白、球蛋白和白蛋白等，极大多数稻米蛋白的合成受到多基因及其调控网络的控制，现在对稻米营养品质尤其是蛋白营养品质合成等方面的遗传机制及合成调控机理的研究还很少，如果进一步的研究能确定哪些基因有利于增加稻米的蛋白质含量，哪些基因能抑制稻米的蛋白质产量，就能转入高蛋白产量的基因和敲除抑制蛋白产量的基因，让人们不仅能吃到香喷喷的大米，还能吃到蛋白质含量高的高营养大米。

CRISPR/Cas9基因剪刀还可以培育高产水稻，让水稻增产。粒重是水稻产量构成的重要性状，与有效穗数和每穗粒数共同构成水稻产量三要素，这些要素系由多基因控制，体现为基因的数量性状位点。现在，研究人员用CRISPR/Cas9基因剪刀敲除3个水稻品种中粒长基因GS3、GS2和每穗粒数基因Gn1a，发现三基因突变有叠加增产效应。还有研究人员采用CRISPR/Cas9基因剪刀敲除水稻千粒重基因、粒重基因GW2、GW5和千粒重多基因TGW6后，得到gw2gw5tgw6 和gw2gw5 纯合突变体，发现突变体粒长、粒宽和粒重都显著增加，从而有效增加了产量。

显然，基因剪刀不只是对创造高产和优质水稻大有作为，对于创造其他优质高产农产品，譬如玉米、小麦等，也有巨大的技术推动作用。