中国科学院遗传与发育生物学研究所的植物遗传学家李家洋正在使用CRISPR基因编辑技术,试图在短短几年时间内实现一个过去需要几个世纪才能完成的目标——将一种野生水稻Oryza alta驯化成农业作物。这种来自南美的稻米虽然能产生可食用的谷物,但成熟后的谷粒很容易落地,无法机械化收割。
为了改变这一特性,李家洋团队首先对O. alta的基因组进行测序,并与已驯化的亚种家养稻进行比较。通过这种对比分析,他们定位出与控制茎直、谷粒大小、脱粒性等重要农艺性状的基因。然后利用CRISPR等基因编辑工具针对这些基因进行定向修改,试图重现使家养稻适合大规模栽培的关键基因变异。
李家洋表示,经过他们的努力,O. alta在茎直、粒大等多个性状上已经有了一定程度的改良。不过这种稻米仍然存在过早落粒的问题。“我们正在继续努力解决这个难点。”李家洋说。
事实上,利用基因编辑技术快速驯化野生物种,正成为越来越多科学家尝试的新方向。这种被称为“de novo驯化”的新兴领域,能够在极短时间内完成过去靠古代农民几千年积累才取得的成果。这为应对气候变化给全球农业安全带来的压力,提供了新的手段和希望。
以李家洋团队研究的O. alta为例,它天然具有很强的抗盐碱性、抗旱性和多种极端病虫害的抗性,正是今后作物育种急需的优良基因源。如果能成功驯化,将大大提高我国稻米生产的抗风险能力。
当然,这项使用基因编辑驯化野生植物的尝试也面临重重技术挑战。毕竟大多数野生植物对人类还很陌生,没有足够的基础研究积累,仅仅进行基因编辑是不足以彻底驯化它们的。
正如植物生理学家Agustin Zsögön指出的那样:“这看起来是一个非常简单的想法,但当你逐步展开,会发现其中概念和技术难度都在成指数级增加。” 因此,虽然业界对这一概念极为关注,但真正大规模商业化追求de novo驯化的公司还没有出现。
除了技术难题,利用基因编辑驯化野生植物的尝试还面临潜在的道德风险。毕竟很多野生物种源于特定地区的土著居民,是他们历代生活中的重要食用或药用资源。在人类历史上不乏殖民者剥削土著知识的前车之鉴。
所以有科学家主张,这类研究必须在充分尊重和保护土著知识产权的前提下开展。但迄今为止,这种倡议和主张并没有在业界和政策层面上得到系统性的回应或法律保障。正如南非斯泰伦博斯大学的植物学家Nokwanda Makunga指出的那样:“对于农作物来说,我们在很大程度上忽视了土著民族的作用。”
基因编辑技术助力中国科学家三年驯化野生稻米,能否成功还有待观察。但这类利用新工具驯化野生物种的尝试,在应对未来食物安全挑战的同时,也需要警惕重复历史的错误,充分尊重和保护土著知识。我们期待在这个问题上能看到科技创新和道德责任并重的局面。
文献来源：
https://www.nature.com/articles/d41586-024-00015-w
https://www.nature.com/articles/d41586-021-00307-5
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