基因“黑客”要種定制莊稼

　　當來自全球的作物工程師日前聚集在英國倫敦時，他們的研究目標頗為宏大：培育更高效利用水分的水稻、需要更少肥料的谷物以及由增強光合作用提供動力的超高產木薯。

　　作物工程聯盟研討會的150名與會者帶來了各種想法以及分子工具。多虧了合成生物學和自動化技術的發展，若干項目已擁有1000多個經過改造的基因和其他分子工具，并且準備在研究人員選擇的作物中接受測試。不過，這正是他們經常碰壁的地方。用于培育擁有定制基因組（這一過程被稱為遺傳轉化）植物的過時方法煩瑣、不可靠且耗費時間。

　　當被問及該領域存在哪些障礙，諾福克約翰伊恩斯中心植物發育生物學家Giles Oldroyd有一個現成的答案：“最大的問題是改善植物遺傳轉化。”

　　“我們所有人都面臨著輸送問題。”美國明尼蘇達大學植物生物學家Dan Voytas表示，“我們擁有強大的試劑，但你如何將它們輸送到細胞中？”

　　引發廣泛討論的是持續了幾十年的難題：很難修改植物基因組然后利用一些轉化細胞重新產生全新的作物。諸如CRISPR-Cas9等基因組編輯技術讓人們看到了復雜作物工程的希望，而這曾經是不可思議的事情。不過，當研究人員遇到原有的障礙時，現實讓他們變得更加沮喪。

　　美國國家科學基金會（NSF）已意識到這一挫折，并在9月28日宣布將資助針對更好轉化方法開展的研究。這是一個新的植物基因組研究項目關注的4個焦點中的一個。整個項目將收到共計1500萬美元的資助。

　　“每個人都會同意，這真的是基因組工程的瓶頸。”去年11月，NSF關于植物轉化的研討會共同組織者、田納西大學植物生物學家Neal Stewart表示。

　　利用可將基因添加到植物基因組中的細菌，諸如植物界的“小白鼠”——擬南芥等一些植物很容易被轉化。研究人員將想要測試的基因插到農桿菌中，然后“誘騙”細菌感染植物的生殖細胞。當作物隨后產生后代時，其中一些會表達新的基因。

　　不過，這對很多作物不起作用，而且利用農桿菌會引發諸如美國農業部等政府機構的額外審查，因為它被視為一種植物害蟲。作為替代方案，研究人員可利用“基因槍”向植物細胞中發射被黃金珠包覆的DNA。隨后，這些細胞“沐浴”在生長激素中并被“誘騙”重新產生完整的植株。諸如玉米等一些植物很容易屈從于這種方法，小麥、高粱等其他作物則不行。

　　對于一些“頑固”的作物來說，重新產生全新的植株，需要持續數月艱苦的細胞培養工作（優化生長條件和激素濃度）。成功需要的條件不僅依據每種作物而不同，在相同的植物物種之間也不一樣。

　　來自康奈爾大學的Joyce van Eck是該領域的專家。在她看來，植物轉化專家鳳毛麟角。“我們所做的事情包含很多藝術。”她在倫敦研討會上表示，“擁有這種訓練的專家很難找到。”再加上對新方法的資助匱乏，研究人員不得不依靠用了幾十年的舊技術。

　　不過，隨著對替代方法的尋找正在升溫，這一切可能會發生改變。Stewart和合作者已研制出和用手工相比能更加快速、準確地執行原生質體轉化技術的機器人。該方法利用酶消化細胞壁，從而使研究人員更容易引入新基因。不過，重新產生完整植株的問題仍然存在。研究人員利用一種沒有機器人的類似方法，在包括生菜和水稻在內的多種植物中進行了CRISPR-Cas9基因編輯。

　　細胞培養步驟仍然困難。Stewart介紹說，他的實驗室中有人用了兩年時間轉化一種被用于生物燃料研究的高稈草，但最終還是以失敗告終。不過，酶的成本不斷下降使研究人員得以開展更多試驗，機器人學則能提高生產能力。Stewart是如此迷戀他的創造物，以至于為其創作了一首歌曲。“現在，它是我們的孩子。”Stewart說。