高油酸大豆使用了現在流行的植物基因編輯技術,該技術是國際育種熱點,催生了諸多變化,有望讓種子作為農業芯片取得革命性的進步。有媒體采訪了國內多個植物基因編輯一線科學家和相關企業的創始人,該領域已成為創業熱土,多位科學家走出科研院所創立公司,吸引眾多風險投資機構的青睞。

　　

改變

　　

從外觀上看,基因編輯過的高油酸大豆和普通大豆沒有區別,但對人體健康更為友好。

朱健康介紹,油酸是一種單不飽和脂肪酸,被稱為″血管的清道夫″,油酸含量決定了油的品質,采用高油酸油加工的食品能有效降低反式脂肪酸的含量,從而起到降低膽固醇、降低血脂以及預防心血管疾病的作用。

心腦血管疾病是人體健康的第一殺手, 比癌癥對健康威脅還大。

學術界將油酸含量在75%以上的食用油認定為″高油酸油″(國標為70%)。舜豐生物采用新技術,編輯了兩個關鍵基因,調控大豆的脂肪酸合成通路,培育出高油酸大豆,榨出的大豆油油酸含量能夠達到80%以上,最高可達85%,是普通大豆油油酸含量的4倍,比橄欖油還高。

目前,中國每年進口近億噸大豆,基本上用來榨油。

海外已經有一些基因編輯產品上市,比如日本東京Sanatech Seed公司的高γ-氨基丁酸(GABA)西紅柿,GABA含量是普通西紅柿的4到5倍。日本官方稱,經過基因編輯的西紅柿,不會產生對人體有害的物質,不需要經過安全性審查。

這種西紅柿通過CRISPR-Cas9基因組編輯技術敲除CaMBD基因,提高了谷氨酸脫羧酶的活性,從而催化谷氨酸脫羧成為GABA,使GABA的含量提高4到5倍。有研究稱,攝入一定量的GABA具備改善機體睡眠質量、降血壓等生理功效。高GABA含量,成為基因編輯番茄最大的賣點。

今年5月,美國餐館出現了一款基因編輯芥菜,被剔除了尖銳、熱辣、刺鼻的味道,可以作為沙拉或主菜,從而替代沒有多少營養的生菜。推出無辣味芥菜這家公司,還要推出無籽漿果、無核櫻桃等產品。

以前,種植馬鈴薯都是塊莖克隆繁殖,消耗大還會積累毒素?，F在,云南德宏州的一塊農田里,正在使用種子種植馬鈴薯,已經培育了幾年。

以前種植的馬鈴薯是4倍體,可以結種子,但后代參差不齊。2倍體馬鈴薯不能結種子,但是方便控制遺傳?？茖W家希望培育2倍體馬鈴薯,解決2倍體馬鈴薯不能結種子的問題,通過種子進行繁殖培育。

2018年到2019年,中國熱帶農業科學院院長黃三文團隊通過基因編輯技術敲除了控制馬鈴薯自交不親和的S-RNase基因,篩選到了S-RNase的天然突變體,并克隆了來自野生種的自交親和基因,徹底解決了自交不親和的問題。今年,黃三文獲選中國科學院院士。

″此前,科學家已發現煙草之類農作物中,就是由這個基因控制自交問題,煙草和馬鈴薯是一個科,可以推測也是由該基因在起作用?！逯袊�農科院深圳農業基因組研究所研究員張春芝接受證券時報記者采訪時表示。

張春芝所在團隊培育的″優薯1號″馬鈴薯每畝產量接近3噸,接近主流種植的4倍體品種。馬鈴薯種子只有芝麻的1/6,種植1畝地只需要2克種子。以前,種1畝馬鈴薯需要200公斤的塊莖,栽培、儲存、運輸等過程中的損耗比一般的糧食種子更高。

馬鈴薯是我國第四大主糧,每年產量1億噸,種植需要消耗1000萬噸以上馬鈴薯塊莖。如果大面積使用種子種植,生產出的馬鈴薯就基本上都可以用來消費。

新工具

作物性狀和基因的對應關系,要靠科學家們曠日持久的研究來確定。有時候,多個基因共同決定一個性狀。

蘇州齊禾生科生物科技有限公司聯合創始人和首席技術官趙天萌表示,植物品種繁多,僅水稻就有幾千個品種。不同品種的基因組差別很大,研究者把各種各樣背景的水稻做基因組比對,看有什么不同,然后列出候選基因,逐個驗證基因與性狀的對應關系,這是耗時長久但必要的工作。

發現了基因和性狀之間的對應關系后,需要操控基因作出改變。早期的鋅指核酸內切酶(ZFN)技術和類轉錄激活因子效應物核酸酶(TALEN)技術,雖然已經可以對基因進行定點編輯,但成本更低、操作更簡便、準確度更高的CRISPR-Cas9技術問世后,迅速取代了前兩種基因編輯技術。

現在說起基因編輯,基本上指的都是CRISPR-Cas9技術。這項技術2012年問世,掀起了一場革命,技術發明者在2020年獲得諾貝爾化學獎。這也是近些年基因編輯獲得如此多進展的核心原因。

基因編輯技術是對基因進行DNA片段插入或者敲除,以改變生物遺傳性狀的技術。它與傳統轉基因技術不同,轉基因是把外源基因轉入生物的染色體中,而基因編輯技術是對原有基因進行修改。

″太空育種的本質,就是讓種子暴露在太空射線下,讓宇宙射線輻射打斷種子的某些DNA再愈合。這些種子會產生哪些特性,射線無法控制,也無法知道種子DNA有哪些變化,有很大偶然性,獲得成功的概率很低?！逯旖】当硎?基因編輯是剪斷DNA,和太空育種一樣。

深圳市作物分子設計研究院副院長唐曉艷2010年開始研究潔田稻,用化學誘變的方式,獲得了一個新的抗ALS抑制劑類除草劑的水稻突變體?；瘜W誘變也和太空育種類似,都是刺激植物種子DNA作出改變。

把100多公斤誘變的水稻種子播在60多畝的試驗田里,收獲了12噸種子,精挑細選2噸種子再次播種,開始噴灑除草劑,最終得到一株抗除草劑的水稻。這被稱為潔田稻,每畝可綜合增加收入120元到300元不等,現在已經在不少地方推廣。

唐曉艷表示,常規育種后代千差萬別,需要反復篩選,一代代穩定下來,高度依賴育種人的判斷力和經驗?！逦覀兙涂隙ㄟx不出來好的,不知道什么是真正好的?！逄茣云G說,基因編輯技術可以讓植物在抗藥性、香味、口感、抗倒伏等方面更有針對性,覺得東北大米好吃,就可以找到決定基因,讓其他水稻也獲得這一性狀。

精準控制

誘變育種隨機性大,有數以兆計的堿基發生變化,難以實現精準控制,而基因編輯可以讓某個基因的特定堿基向需要的方向改變。

歷史上,將野生稻的抗病耐逆基因轉入當前主栽品種中,一代代連續回交轉育,需要8至10年,借助基因編輯技術,這個過程可以縮短至2到3年。

朱健康表示,基因編輯可以做的事情非常多,比如產量提升,基因編輯能查出來某個復雜性狀,同時進行編輯。比如除了調控大豆油酸含量,通過基因編輯還可以去大豆腥味,可以增香。

″如果農作物本身的產量比作水杯,因為害蟲和雜草,杯子裝不滿,如果把害蟲和雜草的問題解決掉,杯子就滿了。轉基因本身不會提高產量,是間接提高了產量?！遐w天萌表示,基因編輯可以直接提高糧食產量,相當于將杯子做大了。

據趙天萌介紹,基因編輯技術經歷了數次迭代,其中第一代CRISPR技術已被快速應用于生命研究的多個領域,但其編輯存在一定的隨機性,難以實現對作物農藝性狀的精準改良。以堿基編輯和引導編輯技術為主的第二代基因編輯技術已升級可以實現四種堿基的任意替換和短片段DNA的精準插入或刪除,實現了由不精準到精準編輯的跨越。當前,全球基因編輯技術已進入第三代研發階段,如何能夠實現高效的大片段DNA甚至染色體層面的操縱技術。齊禾生科將深度聚焦大片段基因定點插入技術研發。

朱健康表示,基因編輯中的編輯模塊已經得到比較好的解決,目前比較有技術含量的是遞送問題。

獲得上述高油酸大豆安全證書的是山東舜豐生物科技有限公司。該公司在合成生物上也有探索,比如把番茄和土豆基因組融合到一塊。

復雜難題

基因編輯還可以和其他技術一起使用。比如馬鈴薯解決了自交繁殖問題,還要讓種子性狀更穩定,才能走進商業化,還需要大量后續工作,可以繼續通過生物技術,有目的地進行培育。為了方便科研,張春芝目前長期工作在昆明,靠近土豆主產區。她希望土豆種類更多,口感更為豐富。

基因編輯也有難啃的骨頭,比如小麥育種被公認為難題,因為小麥是六倍體,基因組是人類的5.3倍,是水稻的30倍。想要摸清小麥基因組進行控制非常困難。

″現在還很難,主要是因為小麥基因圖譜沒有摸清楚,連豐產的基因都還沒搞清楚,基因和性狀的關系不明顯?！逡晃恍←溣�種專家表示。

即使在這個很難的領域,基因編輯也做了一些改變。

比如中國科學院遺傳與發育生物學研究所基因組編輯中心主任高彩霞在解決小麥白粉病問題上,就使用了基因編輯技術。

白粉病是農作物的一種常見病害,受害物種包括小麥、大麥、西紅柿、草莓、黃瓜等。60年前,大麥育種家通過傳統育種方法,成功培育出抗白粉病的品種。經過分析,抗白粉病的大麥原因是該突變體中有一個基因被剔除。但是小麥是6倍體,有3套基因組,如果沒有基因編輯技術,要想沒有白粉病,要把3個拷貝同時敲除的概率非常低?；�因編輯技術則可以精準定位和修改基因,同時敲除3個基因。

朱健康介紹,基因編輯技術有利于解決丙烯酰胺問題。據了解,小麥之所以會在熱加工后產生丙烯酰胺,是因為小麥中含有的氨基酸天冬酰胺,在加工處理后轉化為致癌物丙烯酰胺。有科學家通過″敲除″天冬酰胺合成酶基因TaASN2,從而生產超低天冬酰胺含量的小麥。

投資風口

趙天萌博士畢業于哈佛大學,師從著名基因編輯專家劉如謙,和2020年諾貝爾獎獲得者Jennifer Doudna合作發表論文2篇。2021年9月,趙天萌和高彩霞等共同創立了齊禾生科。齊禾生科目前已實現的成果包括小麥抗白粉病、水稻抗除草劑、甜度草莓、高VC生菜等。

趙天萌介紹,公司業務分為生物育種和基因編輯工具兩個方面,他本人負責后者,也要研究生物育種以便技術能夠落地?！逦覀儸F在遞交了不少農作物品種安全證書申請,另外在基因編輯開發工具上,很快就會實現出口?！妪R禾生科正在專注于玉米和大豆的新性狀開發,包括如何提高它的產量、蛋白含量和油含量,以及對一些抗病抗蟲抗除草劑的耐藥性。其研發的基因編輯工具還可以用于人體治療藥物研發。

舜豐生物布局了四大產品研發管線,高產的水稻、小麥、玉米,抗除草劑的水稻、大豆,適合工業加工的高直/支鏈淀粉玉米、水稻,高GABA番茄、高維生素C生菜等營養健康新品種已具備商業化條件。該公司也開發了基因編輯工具,目前已實現出口。在國內其基因編輯工具位于前列。

唐曉艷表示,″目前科研院所基本上還在使用海外的基因編輯工具,如果投入到商品中,就牽涉到知識產權問題,國內基因編輯工具目前也有所突破?！?/P>

″轉基因應用范圍受限,基因編輯可以發揮的空間很大,可用范圍廣,結果也更豐富,會更有商業前景?！逯旖】当硎?。他認為轉基因對研究要求精準,需要很多年積累,技術容易掌握在少數公司手中,基因編輯產業容易形成百花齊放,催生出諸多公司。

2022年3月,齊禾生科完成逾億元人民幣種子輪融資,杏澤資本獨家投資；時隔一年,2023年4月,完成超億元Pre-A輪融資,由辰德資本領投,源碼資本、高榕資本、中新資本及新尚資本參與跟投。舜豐生物由新動能基金等公司多輪投資超億元。

去年12月,基因編輯育種公司艾迪晶生物宣布獲得數千萬元天使輪融資,由濟峰資本領投,涌鏵投資跟投。隆平生物在去年8月拿到了新一輪投資,紅杉中國領投。