“精确制导”育种实现“指哪儿打哪儿”

正是因为CRISPR/Cas9这一技术可以更加精确、更加定向的对基因进行修饰，它已经被广泛应用到人类、动物、植物的多个物种中，它被《科学》杂志评为2013年十大科学突破之一。

“已知作物容易感染某一病害，这说明该作物有容易遭受病害侵染的位点，通过研究知道了这个位点对应的基因序列，CRISPR/Cas9就可以像精准制导的导弹一样，直接把基因序列中的关键部分‘炸掉’，再通过一系列过程，就可以得到不容易侵染这种病害的作物。”国家“千人计划”特聘专家、中玉金标记CEO卢洪形象地比喻：“‘炸掉’的过程叫做‘敲除’，也是‘突变’的一种。”

对于精确度，不同的研究给出了不同的答案，有研究对水稻的4个相关基因进行定点突变，突变效率为4.0%～9.4%；有研究对试验模式植物拟南芥和水稻的多个基因进行定点突变，可以获得26%～80%的高突变效率。

“这一精确度已经很高了，CRISPR/Cas9技术是定向导致基因突变，而通过航天育种技术诱变的种子，预见不到会发生什么变化。”卢洪说，在航天育种中，太空中的宇宙射线、微重力、高真空、弱地磁场等因素就像是“狂轰乱炸”，导致种子的变化也是十分随机的，有一定程度的不可预见性。航天育种中不是每粒种子都会发生基因突变，其突变率一般为百分之几甚至千分之几，而有益的基因突变仅是千分之三左右。

敲除仅是CRISPR/Cas9技术的作用之一，还可以进行敲入、多位点同时突变和小片段删除等。CRISPR/Cas9也被称为第三代基因组定点编辑技术。景润春说：“与锌指核酸酶和转录激活因子效应物核酸酶相比，它的设计更简单、成本更低、特异性更强、作用效率更高。更重要的是，CRISPR/Cas9可以同时对基因组中多个靶位点进行操作，使直接对由多基因组成的基因表达调控途径进行敲除成为可能。”

在基因工程中，这项技术聚焦的点正是提高作用效率。通常情况下，基因工程中从发现一个基因的功能，到最后成为一个品种要花费很长的时间，数年、也可能是数十年，要有各个学科的一大批科学家协作完成。

通过全基因组测序可以知道基因的位点排列，这就像定位长城上的烽火台，要精确知道每个烽火台的经纬度。从人类全基因组测序、到动物、再到植物，许多全基因组测序工作已经完成。

拿着这个“经纬度”与已知功能的基因库做比较，如果库中有，就可以知道这是已知功能的基因，如果没有，这很可能就是新发现的一个未知功能基因。大多数基因的功能还是未知的，需要进行基因功能挖掘，通过系统的工作去发现它与哪个或哪些功能有关系，是与高产有关，还是与株高有关，还是与抗病有关，事实上，一个基因可能会与多个功能有关，也可能多个基因共同控制一个功能。到目前为止，对作物基因与功能的对应关系，人类所知只是冰山一角，这个“黑匣子”内部大部分还处于黑暗之中。

“基因组测序、基因功能挖掘、基因克隆等，这些工作既可以应用CRISPR/Cas9技术，也是CRISPR/Cas9应用到育种中的前置工作。CRISPR/Cas9在育种中所处的环节也有许多其他技术，但它的革命性就在于大大提高了打靶的准确率。”卢洪多次给记者解释这项技术的应用价值，“无论是突变育种中所用的化学射线、航天育种中的环境诱变，还是发展到人工把基因中的一些位点进行敲除、置换，并不能做到精确，随机性很大，可能有打上靶的，但绝大部分就都脱靶了。”

即使把目的基因导入受体细胞后，也需要对带有重组体的细胞进行扩增，以获得大量的细胞，还需要应用相应的试剂进行筛选，筛选出具有重组DNA的细胞；即使得到含有重组DNA的细胞，还要进行大量增殖，得到相应表达的功能蛋白，让作物得到预想的特性；即使得到了预想的特性，还要经过常规育种中的杂交、回交等多年试验，获得可以稳定遗传的优良性状。单基因遗传的较容易做到，多基因遗传的就十分复杂了。

在现有的转基因育种中，即使是育成了品种，能够拿到相应的转基因安全证书，也不能够在市场上推广和应用，我国对转基因品种的管理有严格的检测和控制程序，普通的非转基因品种也要做转基因检测。而对于多年后，应用过CRISPR/Cas9技术产生的品种是否要接受国家已有法律政策的监管。“基因组进行植物育种可以不引入外源基因，这也导致定义转基因生物的不明确性。”卢洪说，“国家在这方面仍需要制定相关的政策和实施细则，但作为一项新兴技术，国内国际都站在差不多的起点上，作为技术储备，需要更大投入。”（李国龙）