文/張?zhí)锟?中國大百科全書出版社

2020年10月7日，瑞典諾貝爾獎委員會宣布，將2020年度諾貝爾化學獎授予美國加利福尼亞大學教授詹妮弗?杜德納（Jennifer Doudna）和現在德國馬克斯?普朗克感染生物學研究所工作的法國教授艾曼紐爾?卡彭特（Emmanuelle Charpentier），以表彰她們發(fā)明了基因修飾方法CRISPR-Cas9。

CRISPR-Cas9因何獲諾獎

基因修飾方法，被人們通俗地稱為基因剪刀。

比較而言，CRISPR-Cas9是一種迄今比較精確而且切割速度較快的基因剪刀。利用這把剪刀，人們可對動物、植物和微生物的DNA進行有目的的編輯加工（剪切、刪除、位移和增加等），從而治療疾病尤其是遺傳病；人們還可獲得想要的作物和生物產品。

CRISPR的全稱為“規(guī)律成簇間隔短回文重復（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）”。而Cas是Caspase的簡稱，其全稱是“含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶”，是一組蛋白酶，Cas9是其中之一。此外，與CRISPR一起發(fā)揮功能的還有其他酶，如核酸酶蛋白Cpf1。由此CRISPR也可稱為CRISPR/Cas系統(tǒng)，包括CRISPR/Cas9、CRISPR/Cpf1、CRISPR/C2c1和CRISPR/C2c2等，它們都是基因剪刀，但應用最多的是CRISPR/Cas9。

基因剪刀為何瞄向香米

以CRISPR-Cas9為代表的基因剪刀，在農業(yè)上能夠創(chuàng)造更多滿足人類生存和消費需求的新產品，其中就有多種多樣的水稻產品?，F在，全球水稻種植面積已達23.97億畝，有113個國家種植，是全球一半以上人口（38億人）賴以生存的基本食糧，也是大多數中國人的基本食糧。而且，全球水稻90%生產于亞洲。

以袁隆平為代表的科學家創(chuàng)造的高產型水稻已基本能滿足人們對稻米的飲食需求，由此也產生了吃上營養(yǎng)更高、味道更好的高質量稻米的消費需求。其中，香稻就是最能吸引消費者的一種水稻品種。

作為水稻家族中的特殊成員，香稻栽培歷史相當悠久，世界上各水稻生產國或地區(qū)幾乎都有獨特的香稻品種。國際市場上著名的香米品種主要有泰國香米（Khao Dawk Mali 105）、巴基斯坦香米（Basmati）、印度香米（Jccrakasala）、印尼香米（Scratns Malam）、菲律賓香米（Milagrosa）、美國香米（Della）等。

中國同樣有香米，而且有很豐富的香稻資源，諸如湖南的江永香米、山東的曲阜香稻、陜西的洋縣香米、廣西的靖西香糯、廣東的增城絲苗香米、浙江的龍泉香稻和福建的過山香米等。然而世界各地的香米都表現出一種特點，即只在一個特定地區(qū)產出，其生態(tài)適應范圍窄、地域性很強，因而難以滿足更多人的消費需求。

巴基斯坦香稻Basmati370引種到菲律賓種植后，香味會明顯減少。中國湖南的江永香米產地只局限于江永縣源口鄉(xiāng)特定的幾十畝稻田，如果移栽到其他地方，不但產量低，香味也會消失。此外，山東曲阜香稻僅適合在城關、息陬一帶種植，移植到其他地方也會失去香味。

研究人員認為，這與香稻的遺傳基因和生境相關，后者主要指栽培過程中土壤、氣候等生態(tài)條件，因此香稻是香味基因和環(huán)境相互作用的結果。為了提高香米產量，需要在水稻遺傳基因和生境方面創(chuàng)造條件。現在，以CRISPR/Cas9為主的基因剪刀不僅可在遺傳基因上增強香味基因，還可對普通水稻增添香味基因，從而可能生產出更多香稻，讓人們吃上香噴噴的大米。

早有研究發(fā)現，2-乙酰-1-吡咯啉（2-Acetyl-1-Pyrroline，2-AP）是香稻香味特征化合物和主要香氣的貢獻物，它的含量不同決定了稻米的香味有所不同，因為2-AP的含量在不同香米品種間存在差異，當然更是多于普通稻米中的含量。進一步的研究還證實，巴斯馬蒂香型、茉莉香型等不同香味類型香稻中香氣的主要成分均為2-AP。因此，針對2-AP的基因改造就成為研究重點，而這就需要基因剪刀CRISPR/Cas9來幫助。

同時，研究還發(fā)現，2-AP受到其他作物基因抑制，其中主要的就是BADH2，它是編碼甜菜堿醛脫氫酶的基因，但是會抑制水稻的香味基因2-AP。研究人員發(fā)現，完整的全長BADH2蛋白（503個殘基），僅出現在無香味的轉基因品系和水稻品種中。而且，在香米品種中轉入BADH2基因，香米稻中的2-AP含量會顯著降低，香氣損失，這證明BADH2是控制米香的主效基因。

由此證明，BADH2編碼的全長BADH2蛋白可抑制2-AP的生物合成，從而使水稻變得沒有香味。后來的研究還發(fā)現，系由BADH2基因中8bp堿基缺失而使其原有功能喪失，導致2-AP在水稻中大量積累從而產生香味，這或許就是香稻和普通水稻在遺傳基因和基因表達上的重要原因。

CRISPR/Cas9怎樣“剪”出香米

過去香米品種的培育，是利用雜交方式將香米基因轉入普通稻米中，盡管可通過分子標記進行輔助選擇，但這個過程比較復雜，且周期較長。后來，比較有效的方式是利用基因剪刀切割或敲除BADH2基因，使其不再抑制香米的香味基因2-AP，讓香米產生更多的香味，而且把香味基因2-AP轉入普通水稻中，也可讓普通稻米產生香味，成為香米。

既往研究人員已在利用另一種基因剪刀，轉錄激活因子樣效應物核酸酶（TALEN），敲除水稻BADH2，以使水稻獲得香味。但是，這種基因剪刀需要依賴于上下游序列，脫靶率高，且具有細胞毒性，因而改造香米和創(chuàng)造香米的效果并不是很好。

現在，研究人員采用更高效和更準確的CRISPR/Cas9基因剪刀，能在水稻活細胞中更有效、更便捷地“編輯”香米基因以及其他基因。利用CRISPR/Cas9，對蠟質基因（Wx）、BADH2兩個基因進行切割或導致其突變（敲除BADH2中的8bp堿基），可解除其對香味基因2-AP的抑制，從而增加2-AP的積累和含量，同時產生較低直鏈淀粉含量（13%～18%）的營養(yǎng)性較高的大米。

直鏈淀粉（Amylose, AM）和支鏈淀粉（Amylpectin, AP），是稻米淀粉的兩種類型，二者組成比例決定了稻米的食用品質和加工品質?，F在，也有研究人員采用CRISPR/Cas9基因剪刀敲除水稻蠟質基因Wx，成功地將突變體水稻的直鏈含量由14.6%降至2.6%，獲得糯性稻米，成為更有營養(yǎng)的稻米。

盡管現在的研究還只是處于育種和產生優(yōu)質新種階段，但是可以解決香稻和高質量水稻基因的問題，而剩下的另一個大問題當然是要研究香稻生產的生境。國外研究表明，香稻品種之一的Khao Dawk Mali 105中2-AP的含量受干旱氣候的影響。國內研究表明，香稻產地土壤中的有機質、全氮、堿解氮、全磷、速效磷含量以及鐵、錳、銅、鋅等微量元素含量均高于非產地。對中國的中香1號和田東香稻種的研究發(fā)現，在川陜盆地單季稻兩熟亞區(qū)種植后，其籽粒糙米中的2-AP含量最高，原因可能是各個稻區(qū)間海拔高度存在差異。還有研究認為，鋅是水稻香味產生的必需元素之一。

由此，只有從基因和生境兩個方面著手，才有可能創(chuàng)造出更多更好的香米，以滿足人們需求，而以CRISPR/Cas9為代表的基因剪刀的出現，為研究人員研發(fā)出更多的香米提供了條件。

稻米中的營養(yǎng)蛋白可分為谷蛋白、醇溶蛋白、球蛋白和白蛋白等，極大多數稻米蛋白的合成受到多基因及其調控網絡的控制，現在對稻米營養(yǎng)品質尤其是蛋白營養(yǎng)品質合成等方面的遺傳機制及合成調控機理的研究還很少，如果進一步的研究能確定哪些基因有利于增加稻米的蛋白質含量，哪些基因能抑制稻米的蛋白質產量，就能轉入高蛋白產量的基因和敲除抑制蛋白產量的基因，讓人們不僅能吃到香噴噴的大米，還能吃到蛋白質含量高的高營養(yǎng)大米。

CRISPR/Cas9基因剪刀還可以培育高產水稻，讓水稻增產。粒重是水稻產量構成的重要性狀，與有效穗數和每穗粒數共同構成水稻產量三要素，這些要素系由多基因控制，體現為基因的數量性狀位點。現在，研究人員用CRISPR/Cas9基因剪刀敲除3個水稻品種中粒長基因GS3、GS2和每穗粒數基因Gn1a，發(fā)現三基因突變有疊加增產效應。還有研究人員采用CRISPR/Cas9基因剪刀敲除水稻千粒重基因、粒重基因GW2、GW5和千粒重多基因TGW6后，得到gw2gw5tgw6 和gw2gw5 純合突變體，發(fā)現突變體粒長、粒寬和粒重都顯著增加，從而有效增加了產量。

顯然，基因剪刀不只是對創(chuàng)造高產和優(yōu)質水稻大有作為，對于創(chuàng)造其他優(yōu)質高產農產品，譬如玉米、小麥等，也有巨大的技術推動作用。