水稻亲本去镉技术是转基因吗:借助转基因技术但不含外源基因

李鹏/北京科技报“科学加”微信公众号

2017-12-18 13:21

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继“海水稻”技术后,袁隆平研究团队最近几年获得的另一项重大突破性成果——水稻亲本去镉技术。
“近期我们在水稻育种上有了一个突破性技术,可以把亲本(一般指动/植物杂交时所选用的雌/雄性个体,也就是母本和父本)中含镉或者吸镉的基因‘敲除’掉,亲本干净了,种子自然就干净了。”9月18日,2017年国家水稻新品种与新技术展示现场观摩会在湖南省浏阳市北盛镇召开,袁隆平的声音再一次引起了不小的骚动。
水稻育种居然还可以这样操作?一些人充满了狐疑。
有媒体报道称,这是继“海水稻”技术后,袁隆平研究团队最近几年获得的另一项重大突破性成果——水稻亲本去镉技术,它的做法是定点突变水稻吸收镉的基因,从而有效阻断水稻对镉的吸收,降低水稻的镉含量。
凡是对大米镉污染问题有所了解的人,都知道该项研究潜在的含金量,如果该研究成果未来能够被推广应用,它将给我国大米的镉污染问题带来一个革命性的解决方案,也将有望扭转我国部分农作物重金属含量超标的趋势。
镉污染不容小觑,水稻种植成“重灾区”
近些年来,我国湖南、广东等地相继曝出水稻“重金属镉污染”事件。由于环保部门发现及时,妥善处置,事故总算没有造成太大的影响。但“镉米”的乌云依旧存在。
这与我国属于重金属镉大国具有很大的关系。统计显示,全世界镉储量约为50万吨,我国镉储量在全球范围内是最高的,存储量为9.2万吨,占全球总量的18.4%。
镉是炼锌业的副产品,主要用在电池、染料或塑胶稳定剂。由于应用广泛,相当数量的镉通过废气、废水、废渣排入环境,造成污染。而土壤镉污染主要是因工业污水灌溉造成,镉主要分布在土壤表层,即便停止污灌,但镉污染仍然会持续存在。
水稻是我国种植最为广泛的农作物之一。如今,我国水稻种植面积约达4.3亿亩,总产量约1.89亿吨,杂交水稻更是攻破亩产900千克的大关。然而,由于镉比其它重金属更容易被农作物所吸附,镉含量超标已成为水稻的严重问题。
湖南杂交水稻研究中心研究员赵炳然对北京科技报|科学加客户端记者表示,水稻是容易蓄积镉的作物之一,稻田中的镉通过水稻的根系被吸收,并向上运输到茎、叶和稻米中。在我国南方稻区,酸性的红壤分布广泛,而酸性土壤中一般可以被动植物等生物体吸收利用的镉离子含量较高。此外我国南方是以籼稻为主的种植模式,研究发现相对粳稻而言,多数籼稻蓄积镉的能力更强,这都加剧了稻米中镉污染的风险。
水稻的镉污染因此成了必须要攻克的难关。这主要是因为在所有的粮食作物中,水稻最容易受到镉污染。而根据科学研究,这与水稻中的一些基因具有很大的关系。
通过基因组编辑技术研发出低镉水稻
研究发现,水稻可以表达一些金属转运蛋白,例如水稻根中的OsHMA2,这个转运蛋白本身的作用是将金属离子,尤其是锌转运到根部。另一个蛋白是OsNramp5,这个蛋白负责锰的吸收。然而镉和锌锰等是类似物,因此水稻也会通过这些转运蛋白将镉转入根部并在植株内富集,最终造成稻谷中胚乳镉含量上升。
这几年生物科学领域发展异常迅速的基因编辑技术——CRISPR给了赵炳然及研究团队全新的灵感。CRISPR技术的最大优势在于前所未有的精准度,可以用来删除、添加、激活或抑制各式各类生物体的目标基因,就如同编写代码一样灵活方便。同时还能够让科学家在很多情况下避免使用颇具争议性的引入外源性基因的转基因技术。
“我们通过基因组编辑技术与水稻杂种优势利用技术,在国际上率先建立了培育低镉籼型杂交稻亲本及组合的技术体系,快速、精准地培育出不含任何外源基因的低镉籼型不育系、恢复系及低镉杂交稻组合。” 赵炳然说。
不久前,湖南杂交水稻研究中心发布消息称,该中心研发出了即便种植于高镉污染稻区,也能出“镉”而不染的杂交稻亲本品系“低镉1号”和组合“两优低镉1号”。
赵炳然团队的研究成果已经有了大田实验的支撑。他们用两年的时间在总镉含量达到1.5-2.4 毫克/千克的高镉大田进行鉴定,其糙米镉含量稳定在0.06毫克/千克以下,远低于0.2毫克/千克的国家标准和0.4毫克/千克的国际标准。
水稻亲本去镉技术,做的是“减法”
人们最关心的是,袁隆平这项亲本去镉技术到底是不是转基因?
在研发低镉水稻的过程中,由于转入了Cas9等外源基因,湖南杂交水稻研究中心研究员赵炳然说这意味着基因组编辑技术借助了转基因技术,但是转入的Cas9等外源基因和突变基因在突变体的后代自交群体中会发生分离,并且一部分突变单株不含有外源基因,只要一年两代繁育筛选后,就可得到不含任何转基因成分的突变植株。而后通过分子检测,就可快速筛选到不含任何外源基因的种子。
“而后经3家机构检测,证明‘低镉水稻’均未检测出转基因成分。专家组成员也全程参与,监督了从取样、晒样、分装到送农业部资质机构检测全过程。”赵炳然表示。
与传统的转基因技术相比较,基因组编辑技术与之从程序、结果上有本质上的不同,传统意义上的转基因是做“加法”,转移外源有利性状基因到作物中,而基因组编辑技术是做“减法”,突变作物自身不利性状基因。
中国农业科学院生物技术研究所研究员黄大昉说,尽管来源可靠、通过安全性认证的转基因作物也是安全的,但是由于涉及到外源性基因的转入,很多人对其有疑虑,这也是这些年转基因技术及作物备受争议的重要原因,而“低镉水稻”中完全没有外源性基因,可以打消很多人对其安全性的疑虑,因此推广发展应该比转基因作物顺畅一些。
低镉水稻目前在我国被当成转基因产品管理
但袁隆平研究团队目前面临的一个障碍是,鉴于基因组编辑技术是一项涉及转基因过程的新技术,为慎重起见,我国目前暂时是把这类材料当作转基因进行管理的。
因此,赵炳然他们关于“低镉水稻”研究就得严格按照农业部批复的“中间试验”,即在完全符合隔离条件的湘潭等3个有限的试验田进行的试验。但没有外源基因的“低镉水稻”,如果持续按照“转基因”材料管理,一个潜在的问题是:与其它“转基因”材料一起种植在转基因试验田,存在被周边其它“转基因水稻”污染成“转基因水稻”的风险。
“低镉水稻”对我国农业发展提出了一个新的课题:对于没有外源性基因转入、但是使用了基因编辑技术的各类作物该怎么实施管理?
我国的相关法律法规也需要进行调整
黄大昉告诉记者,近几年我国农业部正在针对基因编辑作物的管理进行相关调研和判断。
黄大昉也表示,单纯进行基因编辑的作物有别于转基因作物,是可以单独进行管理的。现在基因编辑技术发展的很快,对于实验操作中没有使用外源性基因、被证实不存在基因编辑时出现“脱靶效应”的作物,管理就应该从简,这有利于技术的发展。
无外源性基因编辑农作物管理从简也得到了中国科学院遗传与发育生物学研究所高级工程师姜韬的赞同。他对记者表示,用于农作物育种的生物技术本身的安全性,而不仅仅是各个转基因产品,已经为科学界证实,并最早在欧盟转基因报告中正式公布:生物技术育种本身并不比传统育种更有风险。
“我们希望国家一方面尽快出台新的有关基因组编辑技术的政策,另一方面也可针对‘低镉水稻’试验、示范要求,提供适于推进“低镉水稻”产业化的“先行先试”的管理办法。”赵炳然表示。
根据我国2001年5月开始施行的《农业转基因生物安全管理条例》,农业转基因生物,是指利用基因工程技术改变基因组构成,用于农业生产或者农产品加工的动植物、微生物及其产品。这意味着未来基因编辑农作物要进行单独管理,我国的相关法律法规也需要进行调整。
另外对管理者而言,所存在的一个困扰是基因编辑技术无法完全和转基因相割裂。华中农业大学水稻研究专家林拥军教授表示,尽管通过基因编辑技术,最终的结果没有外源性的基因,但是过程是通过转基因方法实现的,它无法完全撇开与转基因的关系。
按转基因管理基因编辑,“低镉水稻”没有任何优势
黄大昉告诉记者,“低镉水稻”的未来究竟怎么样,还需要进一步研究才能做出更好的判断。
林拥军表示,目前国内有不少研究团队都在研究基因编辑水稻技术,他也是其中之一,但是对于“低镉水稻”这项技术的价值,他表示仍要经过一些大田试验的检验。
通过基因编辑技术育种,最明显的优势是时间很快,如果是用常规杂交的方法,要得到性状稳定的种子,一般都需要两三年甚至三四年的时间,但是使用基因编辑技术一步就可以到位,当然前提是你要对目标作物基因组的整个功能性状和代谢途径等内在机制认识非常清晰。但是林拥军认为,如果过分夸大基因编辑技术在育种中的作用,这是不恰当的,基因编辑技术能做很多事情,但是它不是万能的。
还有一个问题是,“如果是按管理转基因产品的方式管理,基因编辑技术没有任何优势,很多人想着用这种基因编辑的产品去代替发展转基因产品,这是不可能的,这是因为目前基因编辑主要是编辑自身的基因,把一个处于表达状态的基因变成不表达的,或者改变一段基因的结构,它难以做到根本性的创新,而转基因转入了外源基因,创新是巨大的。”林拥军说,这意味着如果要对一个农作物进行根本性的改良,基因编辑肯定不如转基因。
另外,一些专家认为,对中国严重的镉米污染最为关键的还是解决环境问题,如果环境中镉污染非常严重,水稻就是敲掉了对镉吸附能力强的基因,也不能变成金刚不坏之身。
 (原文题为《袁隆平的水稻亲本去镉新技术是转基因吗? | 科学加》)
责任编辑:温潇潇澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 袁隆平 转基因 水稻

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