高油酸大豆使用了现在流行的植物基因编辑技术,该技术是国际育种热点,催生了诸多变化,有望让种子作为农业芯片取得革命性的进步。有媒体采访了国内多个植物基因编辑一线科学家和相关企业的创始人,该领域已成为创业热土,多位科学家走出科研院所创立公司,吸引众多风险投资机构的青睐。

改变

从外观上看,基因编辑过的高油酸大豆和普通大豆没有区别,但对人体健康更为友好。

朱健康介绍,油酸是一种单不饱和脂肪酸,被称为″血管的清道夫″,油酸含量决定了油的品质,采用高油酸油加工的食品能有效降低反式脂肪酸的含量,从而起到降低胆固醇、降低血脂以及预防心血管疾病的作用。

心脑血管疾病是人体健康的第一杀手, 比癌症对健康威胁还大。

学术界将油酸含量在75%以上的食用油认定为″高油酸油″(国标为70%)。舜丰生物采用新技术,编辑了两个关键基因,调控大豆的脂肪酸合成通路,培育出高油酸大豆,榨出的大豆油油酸含量能够达到80%以上,最高可达85%,是普通大豆油油酸含量的4倍,比橄榄油还高。

目前,中国每年进口近亿吨大豆,基本上用来榨油。

海外已经有一些基因编辑产品上市,比如日本东京Sanatech Seed公司的高γ-氨基丁酸(GABA)西红柿,GABA含量是普通西红柿的4到5倍。日本官方称,经过基因编辑的西红柿,不会产生对人体有害的物质,不需要经过安全性审查。

这种西红柿通过CRISPR-Cas9基因组编辑技术敲除CaMBD基因,提高了谷氨酸脱羧酶的活性,从而催化谷氨酸脱羧成为GABA,使GABA的含量提高4到5倍。有研究称,摄入一定量的GABA具备改善机体睡眠质量、降血压等生理功效。高GABA含量,成为基因编辑番茄最大的卖点。

今年5月,美国餐馆出现了一款基因编辑芥菜,被剔除了尖锐、热辣、刺鼻的味道,可以作为沙拉或主菜,从而替代没有多少营养的生菜。推出无辣味芥菜这家公司,还要推出无籽浆果、无核樱桃等产品。

以前,种植马铃薯都是块茎克隆繁殖,消耗大还会积累毒素。现在,云南德宏州的一块农田里,正在使用种子种植马铃薯,已经培育了几年。

以前种植的马铃薯是4倍体,可以结种子,但后代参差不齐。2倍体马铃薯不能结种子,但是方便控制遗传。科学家希望培育2倍体马铃薯,解决2倍体马铃薯不能结种子的问题,通过种子进行繁殖培育。

2018年到2019年,中国热带农业科学院院长黄三文团队通过基因编辑技术敲除了控制马铃薯自交不亲和的S-RNase基因,筛选到了S-RNase的天然突变体,并克隆了来自野生种的自交亲和基因,彻底解决了自交不亲和的问题。今年,黄三文获选中国科学院院士。

″此前,科学家已发现烟草之类农作物中,就是由这个基因控制自交问题,烟草和马铃薯是一个科,可以推测也是由该基因在起作用。″中国农科院深圳农业基因组研究所研究员张春芝接受证券时报记者采访时表示。

张春芝所在团队培育的″优薯1号″马铃薯每亩产量接近3吨,接近主流种植的4倍体品种。马铃薯种子只有芝麻的1/6,种植1亩地只需要2克种子。以前,种1亩马铃薯需要200公斤的块茎,栽培、储存、运输等过程中的损耗比一般的粮食种子更高。

马铃薯是我国第四大主粮,每年产量1亿吨,种植需要消耗1000万吨以上马铃薯块茎。如果大面积使用种子种植,生产出的马铃薯就基本上都可以用来消费。

新工具

作物性状和基因的对应关系,要靠科学家们旷日持久的研究来确定。有时候,多个基因共同决定一个性状。

苏州齐禾生科生物科技有限公司联合创始人和首席技术官赵天萌表示,植物品种繁多,仅水稻就有几千个品种。不同品种的基因组差别很大,研究者把各种各样背景的水稻做基因组比对,看有什么不同,然后列出候选基因,逐个验证基因与性状的对应关系,这是耗时长久但必要的工作。

发现了基因和性状之间的对应关系后,需要操控基因作出改变。早期的锌指核酸内切酶(ZFN)技术和类转录激活因子效应物核酸酶(TALEN)技术,虽然已经可以对基因进行定点编辑,但成本更低、操作更简便、准确度更高的CRISPR-Cas9技术问世后,迅速取代了前两种基因编辑技术。

现在说起基因编辑,基本上指的都是CRISPR-Cas9技术。这项技术2012年问世,掀起了一场革命,技术发明者在2020年获得诺贝尔化学奖。这也是近些年基因编辑获得如此多进展的核心原因。

基因编辑技术是对基因进行DNA片段插入或者敲除,以改变生物遗传性状的技术。它与传统转基因技术不同,转基因是把外源基因转入生物的染色体中,而基因编辑技术是对原有基因进行修改。

″太空育种的本质,就是让种子暴露在太空射线下,让宇宙射线辐射打断种子的某些DNA再愈合。这些种子会产生哪些特性,射线无法控制,也无法知道种子DNA有哪些变化,有很大偶然性,获得成功的概率很低。″朱健康表示,基因编辑是剪断DNA,和太空育种一样。

深圳市作物分子设计研究院副院长唐晓艳2010年开始研究洁田稻,用化学诱变的方式,获得了一个新的抗ALS抑制剂类除草剂的水稻突变体。化学诱变也和太空育种类似,都是刺激植物种子DNA作出改变。

把100多公斤诱变的水稻种子播在60多亩的试验田里,收获了12吨种子,精挑细选2吨种子再次播种,开始喷洒除草剂,最终得到一株抗除草剂的水稻。这被称为洁田稻,每亩可综合增加收入120元到300元不等,现在已经在不少地方推广。

唐晓艳表示,常规育种后代千差万别,需要反复筛选,一代代稳定下来,高度依赖育种人的判断力和经验。″我们就肯定选不出来好的,不知道什么是真正好的。″唐晓艳说,基因编辑技术可以让植物在抗药性、香味、口感、抗倒伏等方面更有针对性,觉得东北大米好吃,就可以找到决定基因,让其他水稻也获得这一性状。

精准控制

诱变育种随机性大,有数以兆计的碱基发生变化,难以实现精准控制,而基因编辑可以让某个基因的特定碱基向需要的方向改变。

历史上,将野生稻的抗病耐逆基因转入当前主栽品种中,一代代连续回交转育,需要8至10年,借助基因编辑技术,这个过程可以缩短至2到3年。

朱健康表示,基因编辑可以做的事情非常多,比如产量提升,基因编辑能查出来某个复杂性状,同时进行编辑。比如除了调控大豆油酸含量,通过基因编辑还可以去大豆腥味,可以增香。

″如果农作物本身的产量比作水杯,因为害虫和杂草,杯子装不满,如果把害虫和杂草的问题解决掉,杯子就满了。转基因本身不会提高产量,是间接提高了产量。″赵天萌表示,基因编辑可以直接提高粮食产量,相当于将杯子做大了。

据赵天萌介绍,基因编辑技术经历了数次迭代,其中第一代CRISPR技术已被快速应用于生命研究的多个领域,但其编辑存在一定的随机性,难以实现对作物农艺性状的精准改良。以碱基编辑和引导编辑技术为主的第二代基因编辑技术已升级可以实现四种碱基的任意替换和短片段DNA的精准插入或删除,实现了由不精准到精准编辑的跨越。当前,全球基因编辑技术已进入第三代研发阶段,如何能够实现高效的大片段DNA甚至染色体层面的操纵技术。齐禾生科将深度聚焦大片段基因定点插入技术研发。

朱健康表示,基因编辑中的编辑模块已经得到比较好的解决,目前比较有技术含量的是递送问题。

获得上述高油酸大豆安全证书的是山东舜丰生物科技有限公司。该公司在合成生物上也有探索,比如把番茄和土豆基因组融合到一块。

复杂难题

基因编辑还可以和其他技术一起使用。比如马铃薯解决了自交繁殖问题,还要让种子性状更稳定,才能走进商业化,还需要大量后续工作,可以继续通过生物技术,有目的地进行培育。为了方便科研,张春芝目前长期工作在昆明,靠近土豆主产区。她希望土豆种类更多,口感更为丰富。

基因编辑也有难啃的骨头,比如小麦育种被公认为难题,因为小麦是六倍体,基因组是人类的5.3倍,是水稻的30倍。想要摸清小麦基因组进行控制非常困难。

″现在还很难,主要是因为小麦基因图谱没有摸清楚,连丰产的基因都还没搞清楚,基因和性状的关系不明显。″一位小麦育种专家表示。

即使在这个很难的领域,基因编辑也做了一些改变。

比如中国科学院遗传与发育生物学研究所基因组编辑中心主任高彩霞在解决小麦白粉病问题上,就使用了基因编辑技术。

白粉病是农作物的一种常见病害,受害物种包括小麦、大麦、西红柿、草莓、黄瓜等。60年前,大麦育种家通过传统育种方法,成功培育出抗白粉病的品种。经过分析,抗白粉病的大麦原因是该突变体中有一个基因被剔除。但是小麦是6倍体,有3套基因组,如果没有基因编辑技术,要想没有白粉病,要把3个拷贝同时敲除的概率非常低。基因编辑技术则可以精准定位和修改基因,同时敲除3个基因。

朱健康介绍,基因编辑技术有利于解决丙烯酰胺问题。据了解,小麦之所以会在热加工后产生丙烯酰胺,是因为小麦中含有的氨基酸天冬酰胺,在加工处理后转化为致癌物丙烯酰胺。有科学家通过″敲除″天冬酰胺合成酶基因TaASN2,从而生产超低天冬酰胺含量的小麦。

投资风口

赵天萌博士毕业于哈佛大学,师从著名基因编辑专家刘如谦,和2020年诺贝尔奖获得者Jennifer Doudna合作发表论文2篇。2021年9月,赵天萌和高彩霞等共同创立了齐禾生科。齐禾生科目前已实现的成果包括小麦抗白粉病、水稻抗除草剂、甜度草莓、高VC生菜等。

赵天萌介绍,公司业务分为生物育种和基因编辑工具两个方面,他本人负责后者,也要研究生物育种以便技术能够落地。″我们现在递交了不少农作物品种安全证书申请,另外在基因编辑开发工具上,很快就会实现出口。″齐禾生科正在专注于玉米和大豆的新性状开发,包括如何提高它的产量、蛋白含量和油含量,以及对一些抗病抗虫抗除草剂的耐药性。其研发的基因编辑工具还可以用于人体治疗药物研发。

舜丰生物布局了四大产品研发管线,高产的水稻、小麦、玉米,抗除草剂的水稻、大豆,适合工业加工的高直/支链淀粉玉米、水稻,高GABA番茄、高维生素C生菜等营养健康新品种已具备商业化条件。该公司也开发了基因编辑工具,目前已实现出口。在国内其基因编辑工具位于前列。

唐晓艳表示,″目前科研院所基本上还在使用海外的基因编辑工具,如果投入到商品中,就牵涉到知识产权问题,国内基因编辑工具目前也有所突破。″

″转基因应用范围受限,基因编辑可以发挥的空间很大,可用范围广,结果也更丰富,会更有商业前景。″朱健康表示。他认为转基因对研究要求精准,需要很多年积累,技术容易掌握在少数公司手中,基因编辑产业容易形成百花齐放,催生出诸多公司。

2022年3月,齐禾生科完成逾亿元人民币种子轮融资,杏泽资本独家投资；时隔一年,2023年4月,完成超亿元Pre-A轮融资,由辰德资本领投,源码资本、高榕资本、中新资本及新尚资本参与跟投。舜丰生物由新动能基金等公司多轮投资超亿元。

去年12月,基因编辑育种公司艾迪晶生物宣布获得数千万元天使轮融资,由济峰资本领投,涌铧投资跟投。隆平生物在去年8月拿到了新一轮投资,红杉中国领投。