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关于小麦基因编辑的思考

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  • 发布时间:2022-06-22 14:28
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【概要描述】小麦是全球种植和消费量第二的谷物。作为主粮,小麦的转基因商业化一直以来困难重重,大多数市场对转基因小麦表现出极大的抵制。因为市场抵制,不足以收回研发成本,孟山都也因此在2004年中止了耐除草剂转基因小麦的开发。

关于小麦基因编辑的思考

【概要描述】小麦是全球种植和消费量第二的谷物。作为主粮,小麦的转基因商业化一直以来困难重重,大多数市场对转基因小麦表现出极大的抵制。因为市场抵制,不足以收回研发成本,孟山都也因此在2004年中止了耐除草剂转基因小麦的开发。

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小麦,禾本科小麦属多种作物的统称,通常指栽培最广的普通小麦(Triticum aestivum)。约公元前9600年,中东的新月沃土地区开始栽培小麦,开启了麦作文明。小麦是世界三大粮食作物之一,是全球约35%人口的主食,提供约20%的热量和蛋白质。

纵观全球,我国是小麦最大的生产国和消费国,产量约占全球总产17%,小麦生产不仅对保障国内口粮安全具有重要意义,还在一定程度上影响国际粮价。来自统计局2021年的数据表明,全球小麦产量为775.8百万吨,我国的小麦产量达到了13695万吨,仅次于中国产量的国家分别为印度、美国和俄罗斯。

 

小麦是全球种植和消费量第二的谷物。作为主粮,小麦的转基因商业化一直以来困难重重,大多数市场对转基因小麦表现出极大的抵制。因为市场抵制,不足以收回研发成本,孟山都也因此在2004年中止了耐除草剂转基因小麦的开发。此后因为在美国俄勒冈州、华盛顿州和加拿大艾伯塔省发现该转基因小麦导致日本和韩国一度暂停从这些地区进口小麦。2020年10月7日,阿根廷农业部发布声明,批准Bioceres Crop Solutions的转基因小麦(事件:HB4)可以食用或加工,并进行商业化种植。阿根廷是拉丁美洲最大的小麦生产国,也成为了世界上第一个在小麦上采用HB4耐旱技术的国家。根据Bioceres的介绍,HB4性状能够使小麦单产提高20%,尽管HB4小麦在阿根廷获得批准,但其商业化仍取决于巴西以及全球其他国家对该产品的进口许可。

相较于转基因,基因编辑技术的优势是,可以不引入外源基因,只是在农作物本身的基因上“做手术”,切去一些基因等,提高作物食味品质、改变颜色、增加营养元素,赋予作物抗逆性、抗旱性、抗病性、提高肥料养分利用率等,实现精准育种。基因编辑技术在2013年实现技术突破后,短短几年里,已经广泛应用于多个物种如马铃薯、苹果、蘑菇等。

基因编辑作物在应对气候变化、粮食安全、营养健康等方面具有重要的应用价值,但技术应用过程中的相应风险同样不容忽视。在基因编辑技术的推广应用上,各国对于该技术的应用监管各有区别。美国的监管政策是按照产品的安全性为标准来制定的,和所使用的具体技术生产出的产品没有直接的关联,因此对基因编辑作物的监管政策认为其产生的产品安全性不需要像转基因作物那样复杂的监管方式。日本、阿根廷等采取了与美国类似的宽松政策。欧盟对生物技术产品的监管,采取的是基于技术过程的管理模式,目前对基因编辑产品的政策,基本沿用了其对待转基因食品的旧法规,采取的是限制型政策。澳大利亚、以色列等对基因编辑产品研发采取中间型政策。

中国对基因编辑作物的监管政策做了不少调研工作,但尚未出台正式监管制度,在基因编辑生物的监管方面,基本沿用“农业生物技术”及其相关的《农业转基因生物安全管理条例》框架。2022年1月24日,中国农业农村部制定公布了《农业用基因编辑植物安全评价指南(试行)》,主要针对没有引入外源基因的基因编辑植物,依据可能产生的风险申请安全评价。这标志着中国将开始批准基因编辑作物,对我国生物育种技术研发与产业推动具有里程碑意义。

目前,由于基因编辑技术成本低、快速且高效,许多科研人员已经广泛利用其在作物改良方面做了大量研发工作,取得了很多可喜的成绩。如在小麦上,粒长和粒重负调控基因(TaGASR7)和直立型密穗基因(TaDEP1)是小麦的产量相关基因,通过定点基因编辑后,获得纯合突变株分别出现粒重显著增加、株系明显变矮的性状。

下文将从小麦的基因编辑技术研究成果、热点编辑性状和国内技术比较来探讨小麦基因编辑技术的应用:

 

 

小麦小穗数基因TaCOL-B5的基因编辑与过表达

 

该成果于2022年4月发表于国际顶级期刊《Science》(影响因子47.728)。该研究通过基因编辑技术在扬麦18的Tacol-B5等位基因中分别敲除1个碱基和7个碱基,推迟小麦开花期。同时,通过转基因方法在扬麦18中过表达显性基因TaCol-B5,对4个转基因株系的小穗数、穗长、千粒重分蘖数进行评估。该基因的过表达对以上性状均有促进作用。其田间测产结果相比对照平均增产11.9%,增产效果最高的株系为19.8%。

 

图1 Tacol-B5-GE1 (A)和Tacol-B5-GE12 (B)碱基插入位点以及两个基因编辑株系在开花时间上晚于野生型。

 

图2 TaCol-B5过表达株系在温室及田间表型稳定且与野生型差异明显 (A),在穗长和穗粒数上明显高于野生型对照 (B)。

 

小麦分支穗基因WFZP-D和麦芒控制基因LABA1的基因编辑

 

在小麦品种UI522中,通过基因编辑技术在其控制穗型的WFZP-D基因和麦芒控制基因LABA1中进行片段替换,将小麦正常穗型转化为分支穗型同时缩短麦芒长度,实现两个性状同时编辑。

 

图3 通过基因编辑技术对UI522中的穗型基因WFZP-D和麦芒发育基因LABA1进行大片段替换,同时对两个基因进行编辑。(华智生物合作文章,预计2023年发表)

 

小麦抗旱基因TaTPA1的基因编辑

 

在小麦品种UI670中,通过基因编辑技术对前期工作中克隆的抗旱候选基因TaTPA1进行碱基敲除,该基因影响小麦地上地下部分的生物量分布,促进小麦深根系发育提高水分利用效率。

 

图4 通过基因编辑技术对UI670中的抗旱基因TaTPA1进行碱基敲除,影响地上地下部分发育,促进深根系发育。(华智生物合作文章,预计2022年发表)

 

 

 

 

国内现有可完成小麦基因编辑工作的公司主要技术手段是使用农杆菌转染法做基因编辑,优点是成本较低,整体基因编辑服务项目周期约6个月;缺点是只能保证在几种小麦模式品种中完成相关基因的编辑(如Fielder、济麦22、科农199或Bobwhite),对客户所提供品种的基因编辑要求,往往不能保证成功甚至拒接类似项目。对于克服遗传转化技术在品种间的差异,提高阳性苗育成率的问题,国内仅有少数公司能投入大量财力进行相关的研究。今年3月,由高彩霞研究员领衔的苏州齐禾生科生物科技有限公司(成立于2021年,简称“齐禾生科”)宣布完成逾亿元人民币种子轮融资,这也是中国已公布的基因编辑企业种子轮投资的最大手笔。齐禾生科将聚焦新一代基因编辑工具的开发,以及基因编辑技术在生物育种等各产业方向的应用,对于该技术在农业育种中的应用将起到积极的推动作用。

 

 

小麦基因编辑技术在产业化方面的进展和经济价值的体现,将取决于政府与国家层面的规范和法规方面的政策要予以支持。

以上内容实验素材由张小雨博士(国际顶级期刊Science报道小麦穗发育基因TaCOL-B5一作)提供,文章内容由岳麓山种业创新中心贾高峰博士和华智生物技术有限公司王嘉力博士协助审阅和修改。感谢以上几位老师的帮助。


作者简介:

陈杰,作物学硕士,华智生物技术有限公司业务销售部市场经理。2018年毕业于南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室,师从万建民院士。先后在袁隆平农业高科技股份有限公司总部、隆平种业科学院、岳麓山种业创新中心工作。

 

关于华智生物:

华智生物技术有限公司是在农业农村部倡导下,国家发改委、科技部等相关部委支持下,由中信农业联合行业内十余家龙头企业、专业机构共同出资4.74亿元组建的生物种业平台型企业,致力于打造行业一流的国家分子育种中心、中国领先的关键共性技术平台和全球卓越的生命科学创新企业。华智生物是岳麓山种业创新中心的关键共性技术平台。


参考文献:

1.浅析基因编辑技术在快速作物精准改良中的应用 先正达集团 张健博士 2020.08
2. 基因编辑技术在作物育种中的应用进展 国科农研院 汤波博士 2021.04

 

来源 | 一麦众承

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