基因组编辑技术：“修改”目标基因实现精确育种

766201564

你可能常听到这样的吐槽：现在番茄种类很多，也更大更好看，但却不如过去好吃了。别着急，好消息来了：不久前，中国农业科学院农业基因组所研究人员培育出了一批番茄新品种，口味就比之前的好多了。

番茄等蔬菜瓜果为何味道变差了？中国农科院研究人员又是通过什么神奇的方法培育出了好吃的番茄品种？

西红柿味道不如以前，是因为育种过程中丢失了控制风味品质的部分基因

番茄，又称西红柿，原产于南美洲，大约明朝传入我国。它适应性广、产量高、营养丰富、风味独特，是世界范围内广泛种植的第一大蔬菜作物。据联合国粮农组织统计，2014年全球番茄产值达962.8亿美元。我国以鲜食番茄为主，更加注重风味品质。

据中国农业科学院农业基因组研究所副所长黄三文介绍，我们现在吃到的番茄都是由野生醋栗番茄驯化后的品种，野生番茄果实非常小，只有1—2克重，经过人工的长期驯化，现代栽培番茄的果重是其祖先的100多倍。

黄三文说，番茄味道不如以前，是由于在现代育种过程中过于注重产量、外观等指标，虽然产量大了、长得好看了，却使控制风味品质的部分基因位点丢失。研究结果表明，番茄中的13种风味物质含量在现代番茄品种中显著降低，从而改变了番茄口感。

能不能利用现代技术手段，培育出好看又好吃的西红柿？黄三文想到了基因组编辑技术。从源头做起，先找出影响番茄口味的“基因密码”。“我们的味蕾一直想找回的老口味儿就躲藏在‘基因密码’里，一旦找到决定番茄风味的相关基因，问题就会迎刃而解。”黄三文说。

2012年，黄三文带领团队参与了番茄基因组测序项目，破解了拥有9亿个碱基对的番茄全基因组图谱，其相关研究成果发表在权威学术期刊《自然》杂志上。2014年，黄三文带领的团队与国内多个从事番茄研究的团队一起揭开了番茄果实由小到大的人工驯化过程，即：野生醋栗番茄产生樱桃番茄，最终形成大果栽培番茄。同时，他们构建了番茄基因组变异图谱，发现了1200万个基因组变异的数据。2017年1月，黄三文团队终于破解了番茄风味基因密码，国际顶级学术期刊《科学》以封面文章的形式报道了这一科研成果。

“为了鉴定番茄种质中的优良基因，我们对世界范围内400份代表性的番茄种质进行了全基因组测序和多点多次的表型鉴定。利用全基因组关联分析和连锁分析，最终鉴定了影响33种风味物质的200多个主效的遗传位点。”该论文并列第一作者、中国农科院基因组研究所祝光涛博士说，研究发现，其中有2个基因控制了番茄的含糖量，5个控制了酸含量。

研究还发现，柠檬酸和苹果酸是番茄中的主要酸类物质，柠檬酸能提高西红柿风味，但苹果酸降低风味，研究人员由此找到了降低苹果酸、提高柠檬酸含量的技术路线。

从理论上说，任何风味的番茄都可以通过基因组编辑技术实现

基因组编辑技术为何如此神奇？

黄三文说，基因组是一个物种所有遗传信息的总和，新一代基因组技术被认为是驱动未来经济的颠覆性创新技术。2002年中国科学家发表的水稻基因组，推动了基因组学在农业育种上的应用。基因组编辑技术则是基因组学快速发展的直接产物。如同要编出畅销书或好新闻首先要仔细阅读原稿一样，要想更好地应用基因组编辑技术，首先要阅读基因组、读懂基因组。

黄三文介绍，基因组编辑技术是当前生命科学研究的前沿领域，利用该技术，科学家能够对目标基因进行定点敲除或插入，从而获得对人类有益的性状。其中，CRISPR/Cas9技术因其编辑效率高、操作简易等特点，成为当前生物研究炙手可热的研究工具——他们发现并改进西红柿口味就是用的这种技术。

他举例说，日常食用的番茄有红果和粉果两种，红果番茄硬度大耐储运，但口味较差；粉果番茄颜值高、风味佳，但却有不易储存的缺点。因此，传统的育种主要集中在红果番茄上，优质粉果番茄品种较少。黄三文团队利用基因组编辑技术，将控制番茄果实颜色、口味等的基因进行了编辑，仅用了10个月的时间就获得了耐储运、风味佳的粉果番茄。

“从理论上来说，未来人们想吃什么风味的番茄，都可以通过基因组编辑技术来实现。”

黄三文介绍说，他们团队与合作者已经培育出含糖量提高的西红柿新品种。下一步，将进一步提高有益挥发性物质的含量，培育出更美味的西红柿品种，力争恢复西红柿原有的风味。

通过基因组编辑技术，可以大大提高馒头或米饭中直链淀粉的比例，从而造福糖尿病人

在农作物育种领域，基因组编辑技术的作用不只是用在西红柿上。黄三文说，基因组编辑技术大大提高了作物的育种进度，通过“编辑”基因，一些小麦、水稻、玉米、马铃薯等作物新品系也相继问世。

国家“十三五”七大作物育种专项首席科学家、农业部作物基因资源与种质创制重点实验室主任张学勇研究员说，基因组编辑技术在农业领域前景广阔。“与物理或化学诱变育种相比，基因组编辑技术可以更准确、更精细地改变生物体内有机大分子的合成速度和方向，是一种精准育种技术。”

张学勇说，馒头或者米饭中存在两种淀粉，即直链淀粉和支链淀粉。其中支链淀粉很容易水解为葡萄糖，而直链淀粉降解成为葡萄糖的速度则缓慢许多。通过基因编辑技术，可以敲除或减弱支链淀粉合成的基因的活性，增加直链淀粉的比例，使直链淀粉的比例从百分之十几提高到60%—70%，这样就能有效控制糖尿病人饭后血糖迅速上升的情况，造福糖尿病人。

张学勇介绍，通过基因组编辑技术，还可以改变大豆、油菜等作物籽粒中油的成分比例，增加亚麻酸、亚油酸等优良成分的比重，利于健康和长寿。该技术还能让棉花纤维更细更长，增加优质棉比例，增加棉农收入。此外，它还能改变玉米、水稻等作物的叶片夹角，更有利于密植以达到高产的目的。“基因组编辑技术还能控制花卉的颜色，创造出一些自然界还没有的兰花、牡丹花的颜色，提高花卉品质，满足不同人群需要。”

张学勇认为，未来利用基因组编辑技术还可以根据人们的需要，改变许多农产品的风味、颜色，延长农产品的货架期，为现代农业发展注入强大的科技动力，更好地造福人类。

什么是基因组编辑（延伸阅读）

黄三文

《 人民日报 》（ 2017年06月05日 20 版）

基因是具有遗传效应的DNA（脱氧核糖核酸）片段，它能控制生物的性状，支持生命的基本构造和性能。基因组编辑是改变目标基因序列的技术。如同对文本进行修改一样，首先要把错误或想要修改的地方找出来，然后使用工具，按照修改的意图，插入、删除部分词句或者改写一段“文字”。当然，基因编辑是在细胞内对基因序列进行类似的操作，过程要复杂得多。

在基因组编辑的过程中，找到一把自带“导航系统”的“剪刀”至关重要。CRISPR/Cas9技术是近年来出现的新“剪刀”，因为其构成简单、编辑效率高且易操作，成为基因组编辑炙手可热的工具。该工具能对生物本身基因进行定向改造，它利用“精确制导”的“基因剪刀”，能够高效、准确地按照人类意志修改基因组，在医学和农业育种上有巨大的潜力。比如，按照传统方法，改良一个品种可能需要几年甚至几十年的时间，而利用CRISPR/Cas9技术，改良一个品种的某一个基因可能只需短短数周。

虽然都与“修改”基因有关，但基因组编辑技术和现有的转基因育种技术有本质的不同。当前已应用的基因组编辑技术是对基因组已经搞清楚的特定DNA序列做调整或改动，是在生物自身基因组上进行改造，通过敲除几个碱基对或者一段DNA序列，让作物获得优良性状，而并未引入其他生物的外源基因。而一般的转基因作物最明显的特征，是引入了外源生物的DNA。比如，目前种植面积最大的抗虫作物，就是通过添加细菌基因到植物中，从而使作物能够耐害虫。

与转基因相比，基因组编辑技术形成的新品种不含外源基因，在美国和德国都视为与常规育种实质等同，不进入转基因监管范围。2015年，瑞典农业委员会明确解释，某些由CRISPR引入的植物突变，并不符合欧盟对转基因的定义；阿根廷也认为，基因编辑作物不属于转基因的监管范畴。