神奇基因“魔剪”！福建科学家创新水稻定向改良技术

近日，福建省农科院水稻研究所张建福研究员、谢华安院士团队，在国际一流学术期刊《植物生物技术杂志》上发表了题为《水稻基于多重基因组编辑的快速定向改良复杂性状》的研究论文。该成果不仅建立了适应水稻品种改良需求的快速育种体系和模型，也为研究复杂性状的调控网络提供了借鉴。

如同一把神奇的“剪刀”，基因编辑技术可以精准地切开DNA，像编辑文档一样改写生命代码。这把基因“魔剪”已广泛应用于农业育种研究。不过，传统基因编辑手段一次只能编辑少数几个基因，效率较低。福建科学家让这把“剪刀”具备了连续作战能力，最多能同时编辑12个水稻基因，让水稻育种获得更大加速度。

从“开盲盒”到“私人定制”

这把“剪刀”为何如此重要？让我们先从农业育种漫长的进阶史讲起。

5月24日，国际顶级学术期刊《科学》在线发表了我国一项最新研究成果，揭示了水稻从野生到驯化长约10万年的连续演化史。早在约10万年前，野生水稻就已在长江下游地区分布；约2.4万年前，我国先民开始采集并利用野生水稻；约1.3万年前，人们有意或无意地对野生水稻进行驯化前的栽培；约1.1万年前，东亚稻作农业从这里发端。

在大自然中筛选天赋异禀的野生植物，通过人工栽培，让其世代繁衍，为我所用，这就是农作物育种最初的模样。这个过程依赖自然变异，有点像“开盲盒”。进入现代社会后，人们开始利用杂种优势，在取长补短中定向选育多项全能的“六边形战士”。但这仍不是最高效的方法。杂交育种充满不确定性，需要海量筛选鉴定，育成一个品种通常需要8至10年。

分子生物学的发展，破译了生命的遗传密码，也为提升育种效率打开了新的大门。

人们发现，生命的外在特征取决于内在基因。基因的本质是DNA分子上的一些片段，ATCG等4种碱基的不同排列组合，决定了每一种基因的功能。这多么像程序代码啊！于是，在“解码人”的努力下，人们逐渐读懂了这些代码背后的深意：有的调控水稻的株高，有的调控水稻熟期，有的调控水稻耐旱性……不同基因往往相互作用，最终构成了一个高度复杂的调控网络。如果能够像改写程序代码一样，光标停到哪儿，就编辑哪个基因，不就可以定制人们所需要的水稻品种吗？

基因编辑技术应运而生。

目前，最主流的基因编辑手段是CRISPR-Cas9系统。它源自微生物内部防御机制的启发。科学家发现，一些细菌和古菌具有一项超级技能。当它们遭遇病毒入侵时，会默默记录下对方的DNA序列，写在复仇“小本本”上。当相同的病毒下次再次入侵时，细胞内部便能根据记录，认出宿敌，产生一种特殊的蛋白质——核酸内切酶，一举切断病毒的DNA，使其无法作威作福。

依样画葫芦，科学家人为构建了一套CRISPR-Cas9系统。这套系统包含两个核心工具：一是用于识别基因位置的“导航器”，它可以精准找到某个基因在DNA上的位点；二是用于切割DNA的“剪刀”。DNA被切开后，细胞会迅速启动修复机制。但就像代码容易出现bug一样，DNA自我修复也会失误。譬如，一个碱基丢失了，这个基因就相当于被敲除了。人们由此也可以借助这个过程实现基因的敲入、替换。

改写生命代码，私人定制育种，因此成为可能。

从“单点作战”到“多路包抄”

以CRISPR-Cas9为代表的基因编辑技术，已广泛应用于生物育种领域。但过去，一次通常只能编辑单个基因，最多也不过三四个。

“同时编辑多个基因，容易造成基因组不稳定。”论文第一作者、福建省农科院水稻研究所魏毅东博士说，根据基因的连锁和交换定律，位于同一条染色体上的不同基因，如果距离太近，就很可能在遗传时产生连锁，不利于在后代中产生更多遗传变异。

如果能够实现多基因同时编辑，就能更进一步提高改良效率。福建省农科院水稻研究所的技术创新，解决的就是这个问题。

“我们选定了12个水稻功能基因，其中4个控制株型和穗型，7个控制穗期，1个控制香味；一部分为正向调控，另一部分为负向调控。”福建省农科院水稻研究所所长、研究员张建福说，这12个基因分布在水稻不同的染色体上。也就是说，它们的遗传距离很远，不会产生连锁，编辑后也不会对基因组的整体稳定性造成影响。

多基因同时编辑成为可能。随后，科研人员抓紧组装工具箱——构建一个载体，打包装入“定位器”和“剪刀”两个核心工具。在试验过程中，他们选择了自主选育的优质籼稻品种作为编辑对象。这个品种本就是水稻中的“优等生”，科研人员将工具箱导入它的愈伤组织。在12个“定位器”的导航下，基因“剪刀”迅速进入水稻细胞，抵达细胞核上的目标位置，一次性将12个基因敲除。到这里，生命“魔剪”的使命就完成了。

3至5个月后，经历了基因编辑后的愈伤组织，重新分化长成了一株完整的幼苗。但这还不是我们最终需要的结果。这是因为，单个基因往往不是独立发挥作用的，它们可能和其他基因相互协同、相互制约，这个过程被称为基因互作。比如，水稻抽穗期提前了，可能就伴随着产量降低，二者的关系犹如此起彼伏的跷跷板。

换句话说，12个基因同时被敲除，不一定是最好的结果。有些敲除、有些保留，才可能实现多方共赢。这样的情形有多少种呢？答案是2的12次方——4096种。科研人员要做的，是从4096个组合中，找出最优解。于是，他们将基因被编辑过的水稻植株，与未编辑过的品种杂交，再播种杂交种子。这些杂交后代有4096种基因组合。科研人员观察其田间表现，从中选出综合实力最强、最需要的组合。这个工作量看起来十分庞大，但和传统杂交育种过程动辄要从数万个组合中挑选比起来，已经算事半功倍了。

通过这套以多基因编辑为基础的快速定向改良的育种新技术，福建省农科院水稻研究所已经选育出多个早熟、株叶态好，兼具稳产、抗性、优质表现的育种材料，为后续精准选育突破性水稻新品种奠定了基础。展望未来，以往只适合在华南稻区栽培的水稻品种，可能得以进入长江中下游稻区；只能作为单季稻生产的品种，可以作为双季稻生产。

“基因编辑等现代生物育种技术广泛应用的背后，是育种理念的创新与突破。”张建福说，传统育种手段偏重田间选择，工作量大，周期漫长，现代育种技术则把选择提前到了实验室阶段。“我们将传统育种技术与现代育种技术相结合，有效缩小选择范围，显著提高育种效率。”（记者 张辉 通讯员 胡海明）