養(yǎng)活迅速增長的人口,它是至關(guān)重要的,世界找出提高糧食生產(chǎn)的方法。通過傳統(tǒng)的植物育種提高作物產(chǎn)量是低效的,結(jié)果是不可預(yù)測的,它可能需要幾年到幾十年創(chuàng)建一個新的壓力。另一方面,強大的轉(zhuǎn)基因植物技術(shù)可以迅速產(chǎn)生新的植物品種,但其采用一直存在爭議。許多消費者和國家拒絕轉(zhuǎn)基因食品雖然廣泛的研究消費已經(jīng)證明了他們是安全的。

但現(xiàn)在有一個新的基因組編輯技術(shù)稱為CRISPR可能提供一個不錯的選擇。

我是一個植物遺傳學家,我的首要任務(wù)之一是開發(fā)工程師伍迪的工具植物如柑橘樹,可以抵抗疾病綠化,Huanglongbing(HLB),摧毀了世界各地的這些樹。在2005年首先發(fā)現(xiàn)在佛羅里達州,已經(jīng)摧毀了國家的疾病90億美元柑橘作物,導(dǎo)致下降75%在2017年的橙色生產(chǎn)。因為柑橘樹需要5到10年之前生產(chǎn)的水果,我們的新技術(shù)——已經(jīng)被許多總編的提名2017年開創(chuàng)性的方法這有可能改變世界——可能會加速非轉(zhuǎn)基因的發(fā)展柑橘樹HLB-resistant。

轉(zhuǎn)基因和基因編輯

你可能想知道為什么我們創(chuàng)建的工廠與我們的新DNA編輯技術(shù)不被認為是轉(zhuǎn)基因?這是一個好問題。

轉(zhuǎn)基因是指植物和動物已經(jīng)改變,不會出現(xiàn)自然通過進化。一個非常明顯的例子包括基因從一個物種轉(zhuǎn)移到另一個賦予生物的新特征——像害蟲抗性或耐旱。

但在我們的工作,我們沒有剪切和粘貼來自動物或細菌的基因為植物。我們使用基因組編輯技術(shù)引入新的植物性狀通過直接重寫植物的遺傳密碼。這是更快和更精確的比傳統(tǒng)育種,不如GMO技術(shù),有爭議的,可以大幅度提高幾年甚至幾十年的時間為農(nóng)民開發(fā)新的作物品種。

還有另外一個動機選擇使用基因編輯創(chuàng)建設(shè)計師作物。在2018年3月28日,美國農(nóng)業(yè)部長Sonny Perdue宣布美國農(nóng)業(yè)部植物新品種不規(guī)范發(fā)展與基因組編輯等新技術(shù)將產(chǎn)生植物區(qū)別那些通過傳統(tǒng)育種方法培育的。相比之下,植物,包括基因或基因從另一個生物,如細菌,被認為是轉(zhuǎn)基因。這是許多研究人員和公司的另一個原因喜歡使用農(nóng)業(yè)CRISPR每當它是可能的。

改變植物的藍圖

我們使用的基因編輯工具叫做CRISPR——代表“經(jīng)常聚集空間短回文的重復(fù)序列”——改編自細菌的防御系統(tǒng)。這些細菌CRISPR系統(tǒng)被修改,因此科學家像我這樣可以編輯的DNA植物、動物、人體細胞和微生物。這項技術(shù)可以用在很多方面,包括正確的基因錯誤導(dǎo)致疾病,在人類疾病研究,工程師動物飼養(yǎng)和創(chuàng)造新穎的遺傳變異,能加速作物改良。

使用CRISPR糧食作物的引入一個有用的特征,我們需要知道的基因控制一個特定的特征。例如,先前的研究表明,一種天然植物激素赤霉素對株高至關(guān)重要。GA20-ox基因控制的數(shù)量赤霉素生產(chǎn)的植物。創(chuàng)建一個“低頻率”割草坪草品種,例如,我們正在編輯的DNA - DNA序列的變化,這種植物的基因——減少的輸出GA20-ox基因選擇的草坪草。較低的赤霉素,小草不會成長為高,不會需要經(jīng)常修剪。

CRISPR系統(tǒng)是來自細菌。它是由兩部分組成:Cas9,蛋白質(zhì)片段DNA,RNA分子作為模板編碼植物的DNA的新特征。

使用CRISPR植物中,標準的方法是插入CRISPR基因編碼CRISPR-Cas9“編輯機器”到植物細胞的DNA。當CRISPR-Cas9基因被激活時,它將查找和修改植物基因組的相關(guān)部門,創(chuàng)建新的特征。

但這是“第22條軍規(guī)”。因為與CRISPR執(zhí)行DNA編輯/ Cas9你第一次與外國CRISPR基因改變植物的基因——這將使轉(zhuǎn)基因生物。

非轉(zhuǎn)基因作物的新戰(zhàn)略

年度作物如玉米、水稻和番茄,完成他們的生命周期內(nèi)的種子從發(fā)芽到生產(chǎn)一年,CRISPR基因可以很容易地編輯植物淘汰。這是因為這些植物種子生產(chǎn)不帶CRISPR基因,只是新特征。

但這個問題很棘手的多年生植物,需要10年達到花和種子生產(chǎn)的階段。需要太長時間等待CRISPR基因的種子,是免費的。

我的團隊在康涅狄格大學和我的合作者南京農(nóng)業(yè)大學,江蘇省農(nóng)業(yè)科學院,佛羅里達大學,湖南農(nóng)業(yè)大學和圣地亞哥加州大學最近開發(fā)了一個方便、可靠的新技術(shù)使用CRISPR創(chuàng)建理想的特征在沒有引入任何外國細菌基因的農(nóng)作物。

我們首先設(shè)計了一個自然發(fā)生的土壤微生物、土壤桿菌屬,CRIPSR基因。然后我們年輕的葉子或拍攝從植物材料和混合在培養(yǎng)皿中細菌和允許他們醞釀在一起幾天。這使細菌感染的細胞和交付基因編輯機器,然后改變了植物的遺傳密碼。

在某些土壤桿菌屬感染細胞,農(nóng)桿菌屬基本上是特洛伊木馬,把所有的編輯工具進入細胞,而不是工程機械工廠有自己的編輯。因為細菌的基因或CRISPR基因不要成為植物的基因組在這些細胞的一部分,只做基因編輯的工作——任何植物來自這些細胞不被看作是轉(zhuǎn)基因。

幾天后,我們可以從編輯植物細胞培養(yǎng)植物。那么它需要幾周或幾個月增長一個編輯植物可以種植在農(nóng)場。難的是找出哪些植物被成功修改。但我們有辦法解決這個問題,開發(fā)了一種方法,只需要兩周的時間來確定編輯植物。

基因設(shè)計草坪

編輯植物與人類細胞的一個重要區(qū)別是,我們并不關(guān)心編輯錯誤。對于人類來說,這樣的錯誤可能會導(dǎo)致疾病,但非目標突變植物不是一個嚴重的問題。大量的已發(fā)表的研究低到可以忽略不計的非目標活動報道中觀察到植物與動物相比,系統(tǒng)。

同時,在分發(fā)任何植物種植的農(nóng)民,編輯植物將仔細評估明顯的生長和發(fā)育缺陷或應(yīng)對干旱,極端溫度、疾病和昆蟲的攻擊。此外,DNA測序編輯植物一旦他們已經(jīng)開發(fā)可以很容易地識別任何重大不良不相干的突變。

除了柑橘類,我們的技術(shù)應(yīng)該是適用于大部分多年生農(nóng)作物如蘋果、甘蔗、葡萄、梨、香蕉、楊樹,松樹,桉樹和一些年度作物如草莓、馬鈴薯和甘薯不使用種子傳播。

我們也看到一個角色在許多其他植物基因組編輯技術(shù)用于農(nóng)業(yè)、園藝和林業(yè)產(chǎn)業(yè)。例如,我們正在創(chuàng)造草坪草品種,需要更少的肥料和水。我敢打賭,你也會這樣的。