若無任何轉基因：基因編輯作物在中國該如何監管

編者按：

轉基因，讓很多人恐懼的是把外源基因轉入農作物，例如殺蟲的所謂「毒蛋白」，從而持極端反對態度，即使是在科學界公認沒有安全問題的時候。當然，還有些人擔心所謂百年千年萬年的潛在危險。

近年，出現了一類全新的技術，不加任何基因，而是對農作物本身的基因做減法，敲掉一個基因，或者一個基因的一小段，就可以改善農作物的產量或抗病能力。這種改變，特別是小的改變，其實在自然界經常發生。這時，有的人認為應繼續堅持反轉基因的立場，即使這種技術與以往的轉入外源基因完全不同，只要是人工改變就反對，有的人認為完全沒有道理反對這種基因修飾，何況技術上無法區分人工製造的基因修飾與自然發生的修飾。

問題是，中國農業已經在錯失轉基因革命，會不會再次錯過潛力巨大的基因編輯作物新技術革命?中國基因編輯作物的科學研究目前處於國際領先地位，但是如果政策不能遵循科學界共識，而是沿襲轉基因以過程為基礎的監管框架，無法完成向產品監管的突破和轉變，中國作物育種研究和產業應用將拱手讓於競爭對手。

2001年國務院頒發的農業轉基因生物安全管理條例最近或將面臨新的調整，站在十字路口中國基因編輯作物前途如何？

撰文 | 邸利會

責編 | 陳曉雪

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

上個月28日，美國農業部部長Sonny Perdue在一項聲明中說，一些基因編輯的作物將不受監管。2016年以來，美農業部就放行了一些基因編輯的作物，這次明確表態可說近一步確認了其立場。

對基因工程，包括轉基因的監管，美國大體針對產品而非技術。這一策略保證了其農業的全球領先地位。目前看，在基因編輯技術為作物育種帶來革命性變化的今天，美國將繼續引領世界；相較之下，歐洲和中國已然落後。

（一）變不可能為可能

2014年7月，中科院遺傳所高彩霞和微生物所邱金龍課題組合作的研究發表在Nature Biotechnology上。他們創製了一種新型的小麥品種，對白粉病具有廣譜和持久的抗性。說來也簡單，他們只是在小麥基因組的17000,000,000個鹼基中精確地刪除了某幾個。這在以前是沒辦法做到的。

在歐洲，廣譜抗白粉病大麥品種已在生產中廣泛應用。大麥對白粉病的廣譜抗性緣於MLO基因的功能缺失突變。而這一突變，本來存在於非洲野生大麥中，後來被育種家發現後，通過雜交的方式引入到歐洲種植的大麥中。而且自那以後，雖經過三十多年的生產應用，這種抗性依然有效。可問題是，大麥和小麥雖然親緣關係近，卻存在生殖隔離，無法雜交。

如何讓小麥也獲得對白粉病的廣譜抗性呢？

2010年，運用新出現的基因編輯技術TALEN，他們合作解決了這一難題。「小麥是六倍體（AABBDD），在普通小麥A，B，D基因組上MLO基因各有一個拷貝，我們利用基因組編輯技術首次對這三個拷貝同時進行了突變，獲得了對白粉病有廣譜抗性的小麥。」 邱金龍告訴《知識分子》。

通過這一實驗，他們還明白了為什麼小麥不會通過天然突變獲得和大麥一樣的廣譜抗性。在實驗中，他們獲得了35個MLO基因的突變體，有單拷貝，雙拷貝，也有三拷貝的突變。他們將這些突變體近一步自交，獲得了MLO基因不同組合的純合突變體後代（aa, bb, dd, aabb, aadd, bbdd, aabbdd），才發現只有aabbdd，也就是MLO基因在小麥A、B和D基因組上的三個拷貝同時突變的植株才有廣譜抗性。

「大麥是二倍體，小麥是六倍體，每個基因組有三個拷貝，就有六個等位基因。自然狀態下，六個等位基因同時突變的幾率幾乎是零，這就是為什麼不存在天然突變的MLO廣譜抗白粉病的小麥。」邱金龍說。

（二）類天然突變

讓精確改變DNA序列成為可能，基因定點編輯技術正掀起一場農業革命。創製抗白粉病的小麥，只不過是小試牛刀罷了。

基因編輯技術得益於幾種核酸酶的設計與使用。這些核酸酶的共同特點是，它們可以在你想要的DNA位點處產生雙鏈斷裂，可以理解為「指哪打哪」。隨後，細胞內的固有修復機制被激活，對損傷處產生有效的基因修改。目前常用的幾種核酸酶包括鋅指核酸酶（簡稱ZENs），類轉錄激活因子效應物核酸酶（簡稱TALENs）和基於CRISPR/Cas系統的由RNA引導的內切酶，都能在DNA的特定位點進行切割。

細胞內對DNA雙鏈斷裂的修復有兩條途徑：一種叫非同源末端連接，簡稱NHEJ；另一種叫同源重組，簡稱HR。相比較，NHEJ是主要的修復機制，通常帶來的是少量鹼基的丟失，很少情況下也會有鹼基插入。

由於NHEJ實現起來相對簡單，大多導致基因敲除，使得它成為研究基因功能的良好手段。在了解了基因功能，預先決定好該對DNA序列進行怎樣的修改後，就可以再利用基因編輯技術精確而快速的產生突變。

基因敲除，讓其丟失功能看起來好像沒什麼用，但其實有的植物會產生毒性物質或過敏原，需要在食用前剔除。另外，植物本身也會產生一些影響產量、儲存和加工的物質，剔除也會帶來好處。例如，2016年，美國賓州州立大學的植物病理學家楊藝農便利用了基因編輯技術敲除了蘑菇中編碼多酚氧化酶（PPO）六個基因中的一個，創製了抗褐化的蘑菇，利於儲藏和運輸。

更為驚奇的是，敲除某些基因還可能增加營養物質，如種子中某些脂肪酸去飽和酶的缺失可以讓單不飽和脂肪累積，這樣從突變種子中提取的油脂就更健康，保質期也更長。

這樣的突變體，其結果只是缺失了幾個鹼基，已經和自然突變，以及用化學試劑，X-射線等人工誘變產生的突變體沒有區別，不可區分。「這也給檢測帶來了困難，因為二者很難做出區分。」清華大學教授謝震向《知識分子》表示。

2015年，英國的植物分子遺傳學家Huw D. Jones在Nature Plants發表的一篇評論中指出，除了用文檔紀錄新的性狀外，根本無法清楚做出區分，因此如果考慮到全球貿易，歐盟將處於監管的兩難境地：「如果進口已有基因編輯作物種植的國家的產品，要不對可能運過來的沒有獲準的產品睜一隻眼閉一隻眼，不把這些產品當做是基因修飾的作物，要不就得全部禁止從這些國家進口商業化作物，不管是否摻雜基因編輯的產品」。

事實上，對於上述基因敲除的蘑菇，玉米，美國農業部已經表示不在其監管範圍之內。

「我們把它們稱之為類天然突變。」 邱金龍說。實際上，不僅最終的產品與常規育種的類似，運用基因編輯技術還更精確，更簡單直接；而傳統的雜交往往導致基因組大片段的交換，即使是誘變育種也導致隨機的幾千個突變，需要大規模的後代篩選，費時費力。

（三）無任何轉基因

當然，如果細究廣譜抗白粉病小麥的創製過程，則並非「無懈可擊」。主要的問題是，核酸酶是蛋白，如果該蛋白的編碼DNA，或者連同攜帶這段DNA的質粒導入了植物細胞，隨機整合進了植物的染色體中，那也是有外源DNA的插入了。

一個解決辦法是，在核酸酶表達和植物生成之後，進一步篩選把含有重組DNA的植物去除。能做到這點緣於起初設計的兩個位點並不挨在一起。這兩個位點，一個是插入核酸酶的編碼DNA的位點，另外一個是核酸酶的作用位點。這兩個位點離得較遠，即使核酸酶的編碼DNA整合到了植物的染色體中，之後也可以通過回交分離，留下僅攜帶期望的DNA序列改變的植株後代。

不過，雜交篩選的過程比較費時費力。而且，核酸酶的DNA的穩定表達會增加脫靶以及嵌合體發生的概率。脫靶和核酸酶的特異性相關，指的是由於某些DNA片段的相似，核酸酶「不小心」把類似的位點也切割了。

好在基因編輯技術的快速發展已經可以實現所謂的「瞬時表達」，克服了以上所說的這些缺點，而且徹底杜絕了轉基因。

第一種方式，使用農桿菌，基因槍或原生質體轉化將核酸酶的編碼DNA或RNA傳遞至植物細胞。當將核酸酶的編碼DNA構建體運送至細胞時，瞬時表達常常產生。在表達完核酸酶之後，DNA構建體迅速降解，沒有機會整合入植物基因組。

一個例子是，在2016年8月份，高彩霞研究組通過CRISPR/Cas9 DNA或RNA瞬時表達，對六倍體小麥及四倍體小麥的7個不同基因進行了定點敲除，直接得到了不含外源基因的小麥純合敲除突變體，而且沒有檢測到脫靶效應。「這就是瞬時起的作用，就相當於揮舞大刀砍人，砍到了敵人，但也傷到了朋友，砍敵人時間越長，傷到朋友的概率就更大。所以，瞬時表達就會降低脫靶，也表明準確性更高。」 邱金龍說。

不過，CRISPR/Cas9 DNA進入細胞後，也有可能把降解後的小DNA片段整合到植物的基因組中，如何從根本上杜絕DNA或RNA進入細胞呢？

升級後的方法就是把核酸酶以蛋白質的形態直接運送至植物細胞。目前，通過基因槍直接將在體外組裝成的核糖核蛋白複合體（由Cas9蛋白和引導RNA組成）運送到玉米的胚胎中，並生成了不含轉基因的玉米。高彩霞團隊也用了類似方法，在六倍體小麥中實現了定點編輯，這樣生成的小麥不僅從最終產品上無外源DNA，而且在整個的創製過程中，全程無外源DNA。

同樣強大的還有目前快速發展的鹼基編輯技術，可以直接改變鹼基而無需導入DNA。高彩霞在今年2月發表於Nature Reviews Molecular Cell Biology的一篇評論中表示，雖然當前的鹼基編輯僅能把C轉換成T，A轉換成G，而且序列編輯的窗口也比較窄，但是這些限制可能在未來的一年時間內得到克服。

「還有一些表觀遺傳修飾的技術，DNA序列根本沒有改變，但也會產生新的性狀，也無法檢測出來。」謝震說。當然，表觀遺傳修飾技術，如RdDM，產生的植物是否可以稱為突變體也值得商榷，因為核苷酸序列並沒有發生任何的改變。

總之，基因編輯技術的發展已經不僅可以獲得無轉基因的植物，而且全程都不涉及轉基因。

（四）根本性的錯誤

然而，如果討論的是另外一種修復途徑HR，問題可能會變得複雜。HR通過基因替代或者插入來實現精確的基因編輯，不可避免需引入與斷裂處原序列類似的DNA修復模版。該模版通過同源重組拷貝到染色體處，達到修複目的。

HR潛力巨大。傳統的轉基因，外源基因隨機整合進基因組，而靶向轉基因插入的位點則是提前確定可知的。此外，還可以一次性將多個轉基因插入同一個位點（堆疊）。不僅是添加基因，HR也可以通過改變基因編碼區的關鍵氨基酸殘基，或者改變啟動子或控制基因表達的其它順式作用元件（cis element）獲得新的性狀。比如，為了讓作物獲得耐除草劑的特性，就可以將其中乙醯乳酸合成酶（ALS）的某個氨基酸替換，HR就可以做到這點。

鹼基的插入和替換，有可能觸發監管。不過，若與傳統的雜交育種相比，如果是將自然界中已經存在的可雜交物種中的同源基因定嚮導入，則沒有理由不接受這樣的作物——因為，原則上講，這樣的作物用雜交育種也能做到，只不過更加耗時。更為棘手的是，沒有辦法可以在這兩種方法創製的產品之間做出區分。唯一的不同是，傳統雜交耗時，準確性低，經常連帶將附近的一大段DNA也引入了進去，可能有副作用產生。

那麼，如果通過HR導入的是可雜交的物種的同源基因，不是不可雜交的物種的外源DNA，是否可以獲得豁免呢？另外，到底多大數量的鹼基改變才觸發監管呢？這些問題仍然懸而未決。

不過，在一些專家看來，考慮技術實現過程中是否涉及到轉基因，這樣的思路從本質上就是錯誤的。2016年，美國競爭性企業研究所的Gregory Conko和另外三位學者重申了1997年提出的「斯坦福模型」不僅繼續適用，而且是不依賴於技術的變化的。他們指出：「現存基於過程的監管的更大的缺點是，它們總是落後於新技術的引入。一個例子是CRISPR-Cas9和其他基因編輯技術的發展，已經引起了如何進行監管的辯論。這些完全摸不著北的辯論經常集中在探討應用這些技術修飾的作物到底應該歸到哪種假想的類別里，比如是不是轉基因，是不是某種監管類別，或者是不是屬於含有抗蟲物質的植物」。

Gregory Conko等人強調，監管必須集中在實際的風險，而風險只是由經過修飾的最終產品所帶來的，與所使用的方法毫無關係。對最終產品進行評估而不是對創製產品的過程進行監管代表了科學界的主流意見。

（五）悲慘故事

2009年，當邱金龍從歐洲回到中國，準備用新出現的基因編輯技術TALEN來創製對白粉病有廣譜抗性的小麥時，他的合作者高彩霞也在這一年，從歐洲回到了中國。此前，她在丹麥DLF-Trifolium公司科研部任研究科學家，課題組長。

歐洲對轉基因的保守，已經導致其產品開發和產業的落後，因此，當基因編輯以及其它新的育種技術興起時，歐洲的科學家都熱心探索，以求規避監管，贏取公眾支持。他們最終的目標是歐洲能從過程監管轉向產品監管，但現實來看只能是希望部分的定點基因編輯產品不會納入轉基因監管。

早在2011年，歐盟便有了一系列新育種技術的監管討論，還召開了一次國際研討會，對定點基因組編輯技術做了幾種分類，給出了監管建議。然而，歐盟的迅速反應並沒有扭轉局勢，幾年下來，甚至連基因編輯技術的研究都受到了影響，更遑論應用。

「在歐洲，我們去介紹的時候，科研人員還不習慣使用這一新技術，在歐洲相對比較保守。在中國，我們的植物基因組編輯研究在國際上還是領先的，並且得到了快速、廣泛的應用。」邱金龍說。數據顯示，從2007年到2011年，35%的基因編輯的科學出版來自歐洲，但之後被美國超過，有評論認為，這或許是得益於美國對於技術創新更加開放和寬容的環境。

Gregory Conko等人認為，與歐盟相比，美國對待基因工程技術的態度相對要寬鬆。美國食葯監局一直把重組DNA技術獲得的食物和飼料與傳統育種技術所獲得的產品對等，集中評價其產品，通過非正式的諮詢考慮其組分的等同性、毒性、過敏性、抗營養等方面。美國環保署集中考慮抗蟲特性，關注「植物殺蟲劑」——也就是表達的抗蟲蛋白對環境的影響。而作為框架領頭的監管機構，美國農業部發明了「植物害蟲」（Plant pest）一詞，關注在基因工程作物的創製過程中，是否用到了植物病原體。對於新興的植物編輯技術，目前，白宮命令農業部，食藥局，環保署更新其生物技術監管的協調框架來應對新技術的變革，與此同時廣泛收集民眾的意見。

傳統育種已經無法滿足不斷增長的食物需求和氣候變化等環境挑戰。如果還是通過發現自然的變異後雜交育種，甚至加上60年前發展的誘變育種，作物改良也將不可持續。「傳統的雜交育種，假設很幸運能找到一個抗病植株，但一般它產量不高，那就需要和產量高的進行雜交，假設能夠雜交，還要經過多代的優化分離，一般要至少十年以上。」邱金龍說。

作為傳統技術的補充，上世紀90年代發展出來的轉基因技術，創製了一大批抗蟲抗病，抗除草劑，富含某些營養元素的品種，已有長達23年的商業化種植歷史。根據國際農業生物技術應用服務組織（ISAAA）發布的數據，2016年全球26個國家轉基因作物的種植面積超過1.8億公頃，而在美國，90%以上種植的大豆和玉米包含了一個或多個轉基因，使得它們能抗蟲或者除草劑。

然而，歐洲的科學家Maria Lusser等人2012年發表在Nature Biotechnology的一篇文章指出，不利的監管環境導致的高成本（每轉基因事件3500萬美元）和費時（需要5.5年才能完成），使得只有一些高利潤的作物獲得大規模種植，如棉花，大豆和玉米；一些冷門的作物比如蔬菜和園藝品種則無人問津。

「我覺得基因編輯如果法規足夠寬鬆，不需要大公司去做，很利於中國的小公司去創新。我們給科學院寫過材料，用了一個很俗的名詞，說可以實現中國育種產業的彎道超車；中國有2000多家種子公司，大都是小公司，沒法和國外的跨國公司競爭。」 邱金龍向《知識分子》表示。

能否建立以科學為導向，以產品為基礎的管理體系已經擺在了各國政府面前。在植物育種領域，我們正站在一個變革的十字路口，也許是一場雙重的範式轉換：一方面，潛力巨大的植物編輯技術正在革新行業面貌；另一方面，以過程為基礎的監管策略已經不合時宜。

對轉基因談虎色變的中國將如何應對？目前《知識分子》了解到信息十分稀少且含糊——我們只能從一些學術會議上聽到隻言片語的「建議」，即使是這個領域的科學家，也因種種原因，一直「小心謹慎」，諱莫如深。而誕生於中國實驗室的廣譜抗白粉病小麥，因無需受到轉基因的監管，正茁壯地生長在美國的試驗田裡。

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