👩🏻‍🤝‍👨🏿 ✊🏿 👩🏻‍🤝‍👨🏾 基因组编辑将如何改变农业。如果我们允许... 💤 ☺️ 👨‍🔧

鉴于最近通过的对转基因生物的禁令（禁食），基因工程的话题广为人知。我为您提供一篇出色的文章的翻译，该文章描述了农业生物技术的历史，并提出了转基因生物这一术语在新一代技术产品中的适用性问题。这给人们带来了新的生物的希望，而不会引起民众的官僚主义和恐慌。

技术领域

基因组编辑基本上是一个简单的想法-有意义地改变人体基因组特定区域（通常是基因）的变化。这种突变（基因DNA序列的变化）会导致该基因编码的蛋白质发生变化，从而导致人体出现明显的生理特征。在过去的四年中，基因组编辑变得越来越著名。从Guardian到KP的几乎所有媒体都提到了这一点，其中有TED演讲，关于技术站点的文章，也许在Buzzfeed上更为重要。

在科学界，基因组编辑已成为补助金，出版物和引文（现代科学的三位一体）的吸引力。引起如此极大兴趣的原因在于最近发现和改进了CRISPR / Cas9技术，这是一种简单的工具，已为世界各地大多数生物实验室提供了基因组编辑功能。自首次亮相以来的四年中，CRISPR已被用于编辑人类细胞，谷物，昆虫（如蝴蝶），酵母菌等。

康奈尔大学的科学家最近编辑了凡妮莎属的蝴蝶基因组，以寻找形成翅膀“眼睛”的遗传基础。

在CRISPR之前，几乎不可能仅在靶基因中产生突变，而且相对容易地做到这一点。外行人很难解释如何将先进的CRISPR与早期的基因组编辑技术进行比较。这可以与从发动机祖先到内燃机的技术飞跃进行比较。当然，所有关于靶标突变的讨论都提出了一个问题：“我们为什么还要这样做？”

从人类基因组被了解的那一刻起，生物学家就设法学到了很多关于疾病遗传学的知识。例如，我们知道亨廷顿舞蹈病（一种无法治愈的遗传性疾病）是由HTT基因序列中过多的CAG碱基引起的。或者镰状细胞性贫血是由血红蛋白基因（一种使血液变红并结合氧气的蛋白质）中的A→T取代引起的。但是，除了诊断和遗传咨询外，无法执行其他任何特殊操作。想象一下医生应该知道的疾病原因，并且无能为力，会感到沮丧。借助CRISPR，我们也许能够了解如何正确编辑这些基因并纠正导致该疾病的突变。这只是编辑功能的一小部分-更不用说肿瘤和病毒性疾病了。

就像任何新的生物工程技术一样，CRISPR首先尝试用于医学。但是，尽管这些功能正在世界各地的实验室中迅速开发，但它们仍远未达到实际应用。但是，从原理上讲，几乎可以立即改变CRISPR和编辑的行业是农业技术。

自然变异

农业基因组编辑的历史应该始于自然遗传变异及其局限性的故事。大多数植物在总DNA中所占的比例非常高。如果您查看多少基本生理功能（从光合作用到繁殖）结合了不同的植物物种（通常来说，大多数生物具有许多共同的DNA），这一事实就显而易见。）但是，即使在同一物种内，相同的基因也可能不同。这种差异可以小到一个核苷酸被另一个核苷酸取代，或者大到整个基因片段的丢失。基因可以在基因组中表示为一个或多个副本，也可以不存在（本质上也是突变，只是更大）。我在这里要传达的是，尽管在物种内部和物种之间有如此多的基因相同，但它们中的大多数仍具有很小的差异或突变。这些突变主要是进化的结果，同一基因的这些不同版本称为等位基因。这些等位基因可以通过多种方式改变基因的功能-从完全关闭基因到改变该基因的实际功能。

从这个角度来看，整个农业历史都是试图选择最合适的基因，并丢弃不太有用的等位基因进行育种。

通常，农民和育种者会以痛苦的方式而不是最有效的方式这样做-他们研究大量植物，并将它们彼此杂交，直到获得具有不同基因“有用”等位基因正确组合的植物。当然，对一个人有利的事情可能对另一个人不利，这使得获得遗传多样性非常重要。

保持多样性

世界种子储存量即将增加。斯瓦尔巴群岛（Svalbard），世界上最大的鲸之一（照片：Mari Tefre / Svalbard Globalefrøhvelv）

等位基因的多样性和变异性是穿越过程的基础。实际上，如果没有大量不同的遗传材料变种，则杂种根本就没有意义（我们将得到相同的近似值）。）好消息是，农民和科学家们了解生物多样性的重要性，在大约1300个特殊的存储设施中，大约有1300万种子的植物变种（变种和物种）。尽管如此，保持可变性与使用可变性并不相同。育种者经常使用栽培植物的“野生”亲缘种和旧的杂交结果作为新的等位基因的来源，而种子库中的大量材料仍未被描述和使用。

新的DivSeek计划（由来自全球65个组织的生物多样性科学家和专家领导）旨在解决这一问题。 DivSeek涉及对存储库中呈现的样品的基因组和表型（该基因型如何在特定植物中实现）的描述以及在公共领域获得的数据的呈现。这是一个非常雄心勃勃的项目，即使选择要测试的数百万个样本中的哪个已经是一个难题。此任务的副产品可能是1）降低DNA测序的成本2）用于研究高通量表型的自动化管道，以及3）农民之间的信息传播和交换。这项最近的倡议旨在持续很长时间，并且最近已经开始工作，但是它的成功可能意味着研究栽培植物多样性的新时代。

创造多样性

艾森豪威尔原子与和平计划的宣传海报。根据国家档案馆的资料，

鲜为人知的是，由于20世纪初和中期的诱变研究计划，获得了许多现代流行的农业植物物种。这部分是核技术发展和美国政府的“原子和平”的副产品。

在植物中产生变异的经典诱变方法是通过X射线/γ射线或使用化学诱变剂在种子中产生突变。这些诱变剂对植物的DNA造成破坏，这些破坏的恢复导致新的突变等位基因的产生。所获得的等位基因既可以是独特的，也可以实际上已经存在于天然植物中（例如，不在诱变植物中）。使用这种技术的突变是不正确的，如果它发生了几百万突变事件的基因组中，只有一些其中一部分是穿越所需的。因此，诱变的主要产物必须经过选择和一系列杂交，以选择可能有用的等位基因并将其引入现有的栽培植物中。这个过程很漫长，可能需要数十年。因此，突变选择是昂贵的并且花费很多时间，但是同时产生额外的等位基因并因此产生多样性。这种突变选择的某些产品仍被广泛使用，例如以绿色革命闻名的矮麦，加利福尼亚的矮米，加纳的抗病毒椰子，以及在欧洲更好地通过制麦芽的谷物。

基因组编辑是诱变的另一种形式。这里的一个重要区别是，旧方法依赖于随机事件，而基因组编辑是准确且集中的，这导致从突变到种植实验植物的时间急剧减少。

新农业

甚至在教科书中也将植物育种描述为“艺术与科学”。很大程度上是因为它取决于选择专家的技能来选择各种植物特性-所谓的种鸡眼。传统的杂交也需要大量的时间和资源，因为它使用详尽的方法来寻找新的植物特性并创造物种多样性。

从许多方面来看，发生一切都是因为我们在某些特性的生物学方面存在空白，这些空白将由下一代生物学家填补，但是尽管过去缺乏此类知识，但这并不能阻止育种者为完成各种植物和提高产量而进行出色的工作。

植物育种的历史是从“黑匣子”发展到对植物的功能以及如何最好地利用其独特特性的更全面的了解。我们的祖先意识到，种植具有更多果实或更少病害的植物种子可以在下一个季节增加产量，但在繁殖生物学方面仍然是盲目的。后来，在17世纪，我们对植物如何繁殖并开始进行人工杂交有了更多的了解。不久之后，达尔文和孟德尔来到这里，给了我们50年的自然选择和遗传定律的想法！现在，随着组学技术的最新发展，我们可以阅读植物DNA，研究每个人如何该基因可对各种环境条件做出反应，并预测植物如何高效地生产出我们所食用的化学物质。在基因组编辑的情况下，这种知识变得更加有用。

一旦育种家或科学家找到了有用的等位基因，在基因组编辑的帮助下，他们将能够几乎立即将其转移到另一个品种或什至一种植物中，而无需进行几代人的工作。

将来，基因组编辑可能会改变获取新属性（等位基因）的过程。基于CRISPR的基因组编辑可用于同时编辑植物基因组中的每个基因（或特定类型的每个基因，例如，负责抗病性的R基因），从而创造了大量信息，并可能揭示有用的等位基因，这些等位基因可重新插入已经使用过的植物品种。使用CRISPR进行基因组编辑的真正顶峰是能够创建与有性生殖分离的不同等位基因。

我认为，基因组编辑可以为植物育种提供即插即用的模型。

据我估计，未来的选择管道将类似于现代输送机。研究人员将使用来自1,000篇科学文章和DivSeek等计划的数据，通过直接编辑基因组来测试模型植物品种中等位基因的不同组合，可能需要借助预测分析和数学建模专家的帮助。根据这些结果选择等位基因后，科学家将能够对大量非模型植物品种使用这些变化，进行田间试验并开始生产新品种的种子。尽管有很多因素影响该过程，但通过减少测试新品种所需的世代数量，可以在农业上取得最大的效果。换句话说，更快的产品创建速度。

研究植物免疫力的学生熟悉植物和害虫共同进化的之字形模型。该模型描述了植物与攻击植物的病原体之间的军备竞赛，其中许多植物的进化变化都比植物快。现代农业的任务与此相似。除应对快速变化的害虫和所有这些对系统稳定性的要求外，该行业还需要养活不断增长的人口，以应对气候变化的影响（短期内越来越多的极端自然现象和更远的前景中的全球气候变化）。

什么时候会有繁荣的社会？

当然，农业在过去也遇到过类似的问题，例如，绿色革命（Green Revolution）驳斥了保罗·埃尔利希（Paul Erlich）的预测，这一点尤其广为人知。这场革命之所以成为可能，是因为它是由诺贝尔和平奖获得者诺曼·鲍劳格（Norman Borlaug）领导的，他为农民介绍了新的植物品种和机械化工具。

现在，我们面临着同样的障碍，但障碍更大，而留在原处意味着向后移动。

在农业新技术问世之初，已经讨论了很多内容：从谷物杂交和基因工程到使用标记进行选择。其中一些技术已被采用。但是基因工程仍然被几家大公司垄断，被许多国家拒绝，只是在不久的将来才考虑。基因编辑的命运如何？

等等，这是GMO吗？

当我谈论基因组编辑时，这个问题一直在问我，从国家监管的角度来看，这是一个完全决定了这项技术在农业中的命运的问题（我不想在本文中就转基因生物的监管展开辩论，我认为这种情况在不久的将来尚未改变，尤其是在欧洲）。

回答原始问题：我不这么认为-出于简单的原因，您无法分辨出编辑后的植物与自然界中发现的自然版本之间的区别。基因组编辑的结果通常不包含任何转基因（从另一生物中获取的那些基因在经过修饰的生物中自然不会出现），并且极有可能不会有任何痕迹的方法中，已经接收级的编辑植物。这对于希望将编辑视为创建GMO的一种形式的监管者和公共团体提出了一个惊人的问题（即对其应用相同的法律）。如果您不知道法律属于哪一类，那不属于哪一类，该如何管理该区域？当然，您可以检查育种公司和实验室，或者尝试使获得基本试剂的过程变得非常困难（一项艰巨的工作），但这是否需要社会来监督与业务无关的私人公司和科学家？像绿色和平组织或地球之友这样的组织，例如“有机产业”，都希望规范基因组编辑产品，但是我还没有看到关于如何组织该组织的任何可理解的建议。

现在从更基本的层面上讲，基因组编辑与随机诱变到底有何不同？使用生化试剂（RNA和蛋白质）进行编辑，其作用比紫外线或化学诱变剂更准确；最主要的是最终产品是相同的 -具有新等位基因的植物。现在，您可能需要考虑将随机诱变视为基因修饰过程。您将完全正确，因为遗传材料已经过修改植物。但是，重要的是要理解，各国将随机诱变作为例外是有两个原因的：a）这是现代农业中完全无法避免的部分（包括有机农业）； b）结果也不能与自然变异区分开。因此，我们一无所获，试图将一种技术的结果归类为GMO，将第二种技术归类为非GMO。对于科学家来说，很明显，自然界根本不存在对转基因生物/非转基因生物的划分。

回到我们的问题：
“这是转基因生物吗？” -从技术上讲，是的（就像世界上许多“有机”农民种植的植物一样）。
“重要吗？” 不行

谁将拥有这些植物？

当描述我目前创建转基因植物的项目时，我被问到的另一个常见问题是“它将获得专利吗？”。许多批评旨在保护知识产权（植物品种），例如绿色和平组织：“现有的生物体-植物和动物，就像它们的基因一样，都是没有人发明的，因此，它们绝不应获得专利或由私人控制。”这句话暗含着我们目前正在使用的文化是“没有人的发展”。对此，我希望我已经清楚地表明了多少农业取决于农民，育种家以及现代生物技术公司的技能和独创性。在玉米图片中，您可以看到人类的创造力如何创造了一个每天可以养活更多人的系统。

Theosinte显示在左侧-玉米的遗传前体，右侧显示通常的驯化玉米。（c）约翰·多布利

知识产权在现代技术的发展中极为重要，法律环境将在农业中应用基因组编辑发挥重要作用。

美国和欧洲的IP安全系统的简要说明

植物新品种的发明人通常有两种保护方法-植物品种保护（PVP）或专利（通常是美国专利）。专利具有很高的科学新颖性，主要由生物技术公司用于保护具有DNA序列或已添加到植物的特性的专利的种子材料。育种者使用传统方法使用PVP。对新颖性的标准不那么严格，但是对它的保护程度也较差。例如，一项专利不允许农民使用种子重新播种，或者不允许育种者根据已获得专利的品种创建新品种，而PVP却允许。在美国，与许多国家不同，美国授予了育种品种专利以及植物育种方法，因为它们满足新颖性和非显而易见性的标准。

绝对有专利需求！请求-蓝线；已收到专利-红色。根据

欧洲NoPatentsOnSeeds的说法，育种者通常会获得PVP，因为在那里他们没有为“基本生物学选择过程”颁发专利。但是，情况并非如此简单（见图表），欧洲专利局（EPO）的最新决定引入了获取新品种（无法申请专利）的过程与结果之间的差异（但它们似乎尽可能地好）。例如，EPO向以色列农业部颁发了一项专利，该专利涉及通过传统育种方法获得的耐旱番茄。值得等待的是欧盟委员会的决定，该决定答应处理这种情况，目前他们正在研究具有法律约束力的解释，该解释可能禁止衍生品种的专利。

目前，欧洲的基因工程成果可以申请专利，而传统选择的成果则没有。这种情况有些令人费解，因为如果监管机构认为基因组编辑是非转基因技术，那么是否有可能申请专利或将其自身限于PVP？一方面，如果这被认为是遗传修饰（因此申请了专利），那么申请人如何证明自己的身体是独特的（也就是说，自然界中没有等位基因与所主张的有机体重合）？

另一点是专利如何影响某些技术的普及。专利赋予发明人一定时期（在美国为20年）的垄断权。这并不限制其他育种者在其他植物品种中使用转基因DNA，除非另一育种者购买了这样做的许可证。但是，如果“编辑过的”植物适合PVP要求，则这些植物的等位基因可以（而且很可能会）被其他育种者和农民广泛使用。因此，该行业是否需要初始投资来启动基因组经过编辑的项目这一问题仍然有效。

钱从哪里来？

如今，几乎每个农业生物技术公司都投资于编辑至少几家工厂。例如，一家小型美国公司Cibus已经计划今年释放抗除草剂的强奸。尽管这个特殊的植物是使用另一种较旧的技术开发的，但我们可以放心地说，新的开发将基于CRISPR技术。目前，专利CRISPR在Broad研究院的麻省理工学院和哈佛大学，从杜邦公司和其他一些组织。据我了解，杜邦和Caribou Biosciences（伯克利分公司）在农业生物技术领域拥有最强的地位。但是另一方面，技术发展迅速。其他大学和公司也提供了新的方法。

这里的重点是，如果专利保护仅适用于产品的获取方法，而不适用于产品本身，那么公司是否准备投资编辑？在产品可以申请专利的美国，情况有所不同，但是例如，孟山都公司在美国以外的地方获得约40％的收入，因此即使对于美国，这仍然是一个紧迫的问题。对于美国以外的公司而言，所有这一切都更加重要。在这种环境下，可能需要更周到的知识产权保护来鼓励创新。

第一步

本文中的某些观点有些投机，但令人惊讶的是大多数都没有。使用CRISPR进行基因组编辑在多种植物中进行- 水稻和小麦，西红柿和生菜。编辑后的工厂越来越接近市场准入：Cibus和杜邦都已在现场进行测试。

有了这些，工厂专家仍然需要进一步开发工具，以允许开发如上所述的“即插即用”模型。基因组编辑的第一步是可持续的遗传转化在我看来，目前尚无足够的科研项目在培养各种物种的植物组织这一基本任务上开展工作。我们还需要改进用于预测特定基因或基因组区域的遗传干预结果的系统；全基因组模型可能会有所帮助。我们需要功能更强大的表型系统，例如用于测试免疫反应的单细胞系统。在这方面，我们必须以生物医学界为例，例如，用于细胞培养的微流控系统，但是对于植物而言？人类基因组测序的成本已降至每个基因组1,000美元，但仍降至每个基因组100美元。由于植物的基因组比人类复杂，因此植物甚至需要更多的进步。

绝对清楚的是，基因组编辑在农业中的广泛使用取决于该技术的监管方式。作为这一想法的支持者，我认为美国在其监管和保护知识产权制度方面正处于正确的轨道上。鉴于欧盟在粮农组织和世界知识产权组织中的重要作用，即使欧洲生产的粮食不多，欧盟委员会的讨论也非常重要。

考虑到人口增长和气候变化的动态，很明显，当前的技术将无法养活世界。最严重的打击来自最贫穷的南部国家，这些国家的经济无法像发达国家那样补贴农业。为了创造更加可持续的农业，有必要对新技术更开放，而不是只关注效率较低的技术。它很可能无法减少食物消耗量，但是您可以提高我们生产食物的效率。

基因组编辑将如何改变农业。如果我们允许...