基因編輯技術育種產業的發展與機遇

顧鳶

在世界范圍內，基因編輯技術在分子育種領域發揮著越來越重要的作用。通過基因編輯技術培育高產、優質、高效農作物和高附加值新品種，有助于提升農業產業競爭力，保障糧食安全。雖然在基因編輯領域，最核心的技術掌握在歐美國家手里，但我國的發展也很快，特別是在植物基因編輯技術方面有很多專利，是我國實現種業跨越式發展的機遇。

關鍵詞：種業；生物育種；基因編輯技術；基因編輯作物產業化

利用基因編輯技術進行農作物育種，已成為國際科學競賽新的熱門領域。2021年的中央一號文件對種業工作做了全面部署，明確了要尊重科學、嚴格監管，有序推進生物育種產業化應用。

2021年中央一號文件提出，對育種基礎性研究以及重點育種項目給予長期穩定支持。加快實施農業生物育種重大科技項目。深入實施農作物和畜禽良種聯合攻關。實施新一輪畜禽遺傳改良計劃和現代種業提升工程。尊重科學、嚴格監管，有序推進生物育種產業化應用。加強育種領域知識產權保護。支持種業龍頭企業建立健全商業化育種體系，加快建設南繁硅谷，加強制種基地和良種繁育體系建設，研究重大品種研發與推廣后補助政策，促進育繁推一體化發展。

在世界范圍內，基因編輯技術已經在分子育種中發揮著越來越重要的作用。通過基因編輯技術培育高產、優質、高效農作物和高附加值新品種，有助于提升國家的農業產業競爭力，保障糧食安全。因此，要抓住我國種業發展的機遇，加快推進農業關鍵核心技術攻關，補齊基因編輯技術育種突出短板，集中力量打好種業翻身仗，實現我國重要農產品種源自主可控。

我國種業跨越式發展的機遇

種子是農業產業的基石，種業是具有國家基礎及戰略意義的產業。黨的十八大以來，國家高度重視種業問題，我國種業科技和產業發展取得了明顯的成效。今年2月，農業農村部副部長張桃林在“全面推進鄉村振興加快農業農村現代化”發布會上表示，我國農業用種安全有保障，風險可控。但也要清醒地認識到，與國際先進水平相比較，我國種業發展還有不少的不適應性和短板弱項，迫切需要下功夫來解決。

張桃林表示：“目前，世界種業正迎來以基因編輯、合成生物學、人工智能等技術融合發展為標志的現代生物育種科技革命，需要我們抓住機遇、加快創新，打好種業翻身仗，從而實現種業的跨越式發展。”

基因編輯又稱為基因組編輯或基因組工程，是一種新興的比較精確地能對生物體基因組特定目標基因進行修飾的一種基因工程技術。醫療和農業是基因編輯的兩大重要應用領域。在農業方面，世界各地的研究人員利用植物和動物的基因測序來研究不同物種的基因組，進行農作物全品種基因測序推動農業發展，增加作物產量。基因編輯技術不僅可以突破傳統育種難以解決的遺傳障礙，而且能實現特定性狀的精準改變，顛覆已有動物遺傳改良技術路徑和選育效率。伴隨著基因編輯技術的不斷改進及其在動植物上的廣泛應用，農業領域的顛覆性變革在悄然進行。

早在2013年，以CRISPR/Cas9系統為標志的第三代基因編輯技術就取得了決定性突破，打破了常規育種瓶頸，成為基因編輯主流技術。2020年10月7日，瑞典諾貝爾獎委員會宣布，將2020年的諾貝爾化學獎授予法國女科學家埃瑪紐埃勒？沙爾龐捷和美國女科學家珍妮弗？道德納，以表彰她們研發了基因編輯技術CRISPR-Cas9。關于基因編輯技術的基本原理，據中國科學院上海植物逆境生物學研究中心主任、美國科學院院士朱健康介紹，以CRISPR-Cas9技術舉例，CRISPR像一把“基因剪刀”，而Cas9及其他的Cas酶是能夠剪切DNA的內切酶。“這把‘剪刀最大的神奇之處在于，你讓它剪什么地方就可以剪什么地方，可以精準定位。當基因被‘剪斷后，細胞會修復斷口并產生變異，讓基因失活，從而不起作用。”朱健康說，99.9%的基因編輯都是以“做減法”的方式進行，簡單的做減法就培育出高產、優質、抗病的品種。此外，朱健康還表示，CRISPR-Cas9技術的專利目前掌握在國外科學家手里，我國的科研人員在使用這一技術進行基因編輯時確實存在“卡脖子”的風險，但同時也是可以解決的。除了專利屬于國外的CRISPR-Cas9技術以外，還有Cas12a、Cas12b、Cas12i、Cas12j、Cas14等技術，這些技術都可以繞過Cas9。“特別是Cas12i、Cas12j，這兩項中國的技術很快會有專利授權，這樣就不需要依靠國外的Cas9專利，為解決生命科學領域的‘卡脖子問題奠定了穩固的基礎。”朱健康說。

需要注意的是，基因編輯與轉基因技術都對生物體的基因造成了改變，但二者有明顯的不同。中國科學院院士、中國科學院遺傳與發育研究所研究員李家洋對基因編輯與轉基因技術的區別作了界定。據李家洋介紹，基因編輯把轉基因育種技術中為大家所擔心的部分，即在基因組中插入外源基因這一環節給取消了，而是直接對生物體的基因進行一定的改變。李家洋以修改文章作類比稱，“在修改的時候，如果把一大段話插入文章，就是轉基因，而基因編輯相當于只對一個或少數詞做了修改。”李家洋說，這種修改對文章總體結構沒有大的影響，但文章關鍵部分的意義卻不一樣了。在生物育種技術中，誘變育種、雜交育種、分子標記輔助選擇育種以及轉基因育種都是2.0或3.0版本的技術，基因編輯技術才是當前最高的技術水平，也是全球育種業正在競爭的制高點，應該稱為現代育種技術的“4.0版本”。

中國工程院院士、中國農業科學院副院長萬建民認為，生物育種成為推動現代農業發展新引擎。生物育種是種業創新的核心，構建現代生物育種創新體系，強化種質資源深度挖掘，突破前沿育種關鍵技術，培育戰略性新品種，實現種業科技自強自立，是解決“種源”要害、打贏種業翻身仗的關鍵，是牢牢把握住糧食安全主動權的根本保障。

農業農村部科技教育司二級巡視員張文表示，當前，以全基因組選擇育種、轉基因技術、基因編輯等為代表的生物育種技術已成為國際育種的前沿和核心，正在蓬勃迅猛發展。發達國家在加強生物育種技術創新、加大新品種研發力度上不斷加碼積極布局，搶占國際市場先機，生物育種技術已經成為世界上許多國家搶占科技制高點、增強國際競爭力的戰略重點。

我國基因編輯技術育種的研究

基因編輯技術在近幾年來發展迅速。目前基因編輯技術中CRISPR/Cas9系統已經應用于許多植物上，包括水稻、玉米、大豆等。李家洋表示，中國在植物科學和作物科學的基礎研究方面的實力是非常強的，很多方面跟國際先進水平差距不大，水稻方面更是世界領先。我國基因編輯領域的發展很快，特別是在植物基因編輯技術方面有很多專利，這在一定程度上能給予農業生物育種技術支撐。目前，我國已在水稻、油菜、柑橘等作物的品種研發中開展了基因編輯技術研究。

在水稻方面，中科院亞熱帶農業生態研究所、湖南雜交水稻研究中心，以及華中農業大學等單位合作，成功克隆了一個水稻耐寒基因，研究人員利用對寒冷敏感的秈稻品種“特青”和耐寒的溫帶粳稻品種“02428”所構建的重組自交系群體，獲得了一個耐寒基因QTL-HAN1，利用基因編輯手段敲除HAN1基因后成功提高了受體的耐寒性。HAN1基因的克隆、功能和自然變異研究有助于理解粳稻在向北擴展和馴化的過程中對寒冷環境的適應機制，更為提高水稻的耐寒性提供了有效的途徑。該研究成果于2019年2月11日在PNAS上在線發表。

福建農科院王鋒團隊和廈門大學陳亮團隊利用CRISPR/Cas9基因編輯技術成功培育出了富含原花青素和花青素的紅稻，研究人員選取了3個白色籽粒栽培稻作為改良對象，包括粳稻品種秀水134、秈稻恢復系蜀恢143和秈稻光溫敏核不育系智農S，利用CRISPR/Cas9基因編輯技術將原本移碼突變的rc位點轉換成了正常編碼的Rc基因，為培育富含原花青素和花青素的紅稻品種提供了新的方法。該研究成果已于2019年4月在Plant Biotechnology Journal上在線發表。

2019年11月，2019中國農業農村科技發展高峰論壇發布了《2019中國農業科學重大進展》，其中就包括發現了水稻自私基因。該研究由中國農科院作物科學研究所萬建民團隊和南京農業大學等單位主導，通過圖位克隆、分子遺傳學方法和基因編輯技術，發現了控制水稻雜種育性的是自私基因，闡明了秈粳雜交一代不育的本質，為創制廣親和水稻新種質、有效利用秈粳交雜種優勢提供了理論和材料基礎。

在其他作物方面，2020年3月，浙江大學和德國基爾大學育種研究所的科學家團隊在《植物生物技術》上在線發表了關于利用基因編輯技術敲除SFAR基因以提高油菜種子含油量的研究成果。研究人員在油菜基因組中篩選鑒定到12個降低種子含油量的SFAR同源基因，并利用870份油菜品種的重測序數據，對鑒定的12個SFAR同源基因進行了SNP掃描，進而選取了2個BnSFAR1基因和4個BnSFAR4基因，篩選出EMS突變體庫中的相關材料，同時通過CRISPR/Cas技術獲取SFAR基因敲除材料。對這些突變體材料后代的表型分析發現，多基因敲除的種子含油量得到提升，而單基因突變材料的種子含油量差異不明顯。這些結果也證明了多基因敲除是研究多倍體物種基因功能的有效方法。這項研究為多倍體油料作物中SFAR參與的脂肪酸降解及種子含油量降低提供了一些參考，為高含油量油菜育種開辟了一條新途徑。

2020年5月，中國科學家團隊在《自然？通訊》上在線發表了一項研究成果，系首次破譯同源四倍體紫花苜蓿基因組并建立基因編輯育種體系。研究人員解析了我國地方特有品種“新疆大葉”紫花苜蓿的四倍體基因組，成功將四倍體基因組組裝到32條染色體上。在此基礎上，進一步開發出了基于CRISPR/Cas9的高效基因編輯技術體系，成功培育出一批多葉型紫花苜蓿新材料，其雜交后代表現出穩定的多葉型性狀且不含轉基因標記。

在其他植物品種方面，華中農業大學鄧秀新和徐強團隊完成了對金柑（Fortunella hindsii）的基因組測序和基因編輯應用，認為金柑可作為柑橘遺傳學和基因功能研究的模式材料，研究人員總結了近10年來對金柑這一中國特有柑橘種質資源的系統性收集、評價和利用，通過連續自交，獲得了一個373Mb的金柑參考基因組。同時，研究人員首次在金柑上驗證了CRISPR/Cas9基因編輯系統，為柑橘的遺傳改良和育種奠定了堅實的材料基礎。該研究成果已于2019年4月在Plant Biotechnology Journal上在線發表。

2020年8月，中國和荷蘭科學家團隊在《新植物學家》上在線發表了一篇關于合作研究發現基因編輯技術可從植物和微生物兩方面進行植物性狀遺傳改良，研究人員通過基因編輯技術改變植物乙烯合成基因ETO1或微生物基因acdS，實現了相同的植物表型，即乙烯合成量增加和微營養素含量增加。研究結果表明，相似的植物表型可以由植物相關微生物的特定突變或植物基因組的改變產生。因此，在應用植物全基因組定向編輯技術改良植物性狀的應用中，應綜合考慮植物和微生物的特性以及相互作用，來培育更好的作物。

基因編輯作物的產業化問題

據美國Kalorama Information公司估計，2025年基因編輯及其相關供應市場規模有望突破50億美元。盡管隨著人們逐漸對基因編輯和轉基因技術認知增多，基因工程技術產業化也與市場需求結合緊密，產業化前景誘人。

近年來，國際種業巨頭持續加快在中國本土深耕布局，控制我國種業市場來勢兇猛。包括全球種業前十強在內的70多家國際種企進入中國，大批“洋種子”滲透到我國田間地頭。根據《2019年中國種業發展報告》，2018年我國進口農作物種子7200余萬公斤，進口額4.75億美元，其中蔬菜種子進口額2.28億美元，來自近50個國家和地區。辣椒、洋蔥、胡蘿卜、茄子、番茄、馬鈴薯、西蘭花這些老百姓餐桌上最常見的蔬菜，不少都是“洋種子”長成的，甚至有的基本上全部依賴進口。“洋種子”之所以能夠在我國種業市場“大行其道”，很大一部分原因在于用其種出來的作物，在產量、抗病性、品相、口感等方面比國產種子更具優勢。

轉基因商業化在我國一直是一個輿論熱點，當前公眾對轉基因一直懷有安全擔憂。而基因組編輯將以何種方式管理，則直接決定著它如何商業化。一位研究轉基因育種的科學家表示，目前國內觀點分為兩派，一派認為基因編輯產品應該等同普通產品來管理；另一派則認為應該與轉基因產品統一管理。

對于輿論擔憂的安全問題，中國科學院遺傳與發育生物學研究所植物細胞與染色體工程國家重點實驗室副主任、研究員高彩霞表示，“CRISPR這把化學剪刀用作編輯基因序列的工具是很容易分離出去的，在CRISPR完成剪刀作用后，我們可以不讓它滯留，這樣它就不能整合到我們的目標DNA里面，也就不會留存在作物中了，就好像堿基錯了，我拿橡皮把它擦掉，然后用鉛筆重寫，寫完后橡皮和鉛筆都是不存在基因組里的。”2020年11月，高彩霞在“2020研究前沿發布暨研討會”上表示，與其他育種方式相比，基因組編輯需要的時間短很多。“培育一個新品種，雜交育種和誘變育種都需要8—10年，轉基因育種需要8—12年，而基因組編輯技術只需要4—6年。”

目前，美國對基因編輯的油菜、高油酸大豆、抗氧化蘑菇、糯玉米等作物都下達了轉基因監管豁免權，將大多數基因編輯作物作為常規植物進行監管。日本、芬蘭、瑞典、俄羅斯、巴西、阿根廷等許多國家，也將基因編輯植物產品列為非轉基因產品管理。與之相反，歐洲許多國家則認為基因編輯產品應該視作轉基因產品來監管。

我國正在研究如何監管基因編輯作物。今年1月，農業農村部印發了關于《2021年農業轉基因生物監管工作方案》的通知，提出既要加快推進生物育種研發應用，又要依法依規嚴格監管，嚴肅查處非法制種、知識產權侵權等違法違規行為，保障農業轉基因研發應用健康有序發展。明確指出對農業轉基因研發單位全覆蓋檢查，嚴查中間試驗是否依法報告，環境釋放和生產性試驗是否依法報批，基因編輯等新育種技術研究、中外合作研究試驗是否依法開展。對農業轉基因試驗全程監管，試驗前核查控制條件是否合規，試驗中檢查控制措施是否落實到位，以及試驗材料可追溯管理情況，試驗后檢查收獲物、殘余物等管理情況。

全國政協委員、中國科學院院士曹曉風表示，盡管國家在這一領域投入了大量資金，國內科研人員的成果也位居世界前列，我國的基因編輯作物的商業化依然為“零”。曹曉風表示，在中國科學院先導計劃和國家轉基因重大專項支持下，我國的農作物基因編輯研究成果處于國際第一方陣，還培養了大量的優秀科技人才。接下來要考慮的，就是如何把這些基礎研究成果真正應用于農業生產。

對此，曹曉風提出，進一步加大種業相關的基礎研發和技術創新投入，加強基因編輯的相關基礎理論研究，加強生物育種技術探索，掌握基因編輯關鍵技術和重要性狀基因的知識產權。與此同時，加快建立監管基因編輯產品的政策及法規，對基因編輯改良獲得的“新”品種實行登記制度，對可能帶來的風險進行重點評估，簡化審批流程，推進產業化進程。此外還有很重要的一點，就是建立基因編輯技術產品的種業標識制度，規范種業技術轉讓市場和知識產權保護機制。

曹曉風連續幾年在全國“兩會”上提出，加速基因編輯技術花卉、牧草和果蔬等重要經濟作物上的應用研究和產業化，對基因編輯技術得到的作物新品種，應當有別于轉基因作物的管理標準。曹曉風建議，除了水稻和小麥等一部分重要農作物繼續按當前政策管理外，可以適當放開對基因編輯育種新品種的登記制度，加快這些新品種的審（認）定程序并許可規模化推廣應用。

“我國應該抓住這次生物技術革命的契機，掌握更多分子育種核心技術的知識產權，讓生物技術更好地服務于農業、農民和消費者，使其在推進農業現代化中發揮更大的作用。”曹曉風說。