养活迅速增长的人口,它是至关重要的,世界找出提高粮食生产的方法。通过传统的植物育种提高作物产量是低效的,结果是不可预测的,它可能需要几年到几十年创建一个新的压力。另一方面,强大的转基因植物技术可以迅速产生新的植物品种,但其采用一直存在争议。许多消费者和国家拒绝转基因食品虽然广泛的研究消费已经证明了他们是安全的。

但现在有一个新的基因组编辑技术称为CRISPR可能提供一个不错的选择。

我是一个植物遗传学家,我的首要任务之一是开发工程师伍迪的工具植物如柑橘树,可以抵抗疾病绿化,Huanglongbing(HLB),摧毁了世界各地的这些树。在2005年首先发现在佛罗里达州,已经摧毁了国家的疾病90亿美元柑橘作物,导致下降75%在2017年的橙色生产。因为柑橘树需要5到10年之前生产的水果,我们的新技术——已经被许多总编的提名2017年开创性的方法这有可能改变世界——可能会加速非转基因的发展柑橘树HLB-resistant。

转基因和基因编辑

你可能想知道为什么我们创建的工厂与我们的新DNA编辑技术不被认为是转基因?这是一个好问题。

转基因是指植物和动物已经改变,不会出现自然通过进化。一个非常明显的例子包括基因从一个物种转移到另一个赋予生物的新特征——像害虫抗性或耐旱。

但在我们的工作,我们没有剪切和粘贴来自动物或细菌的基因为植物。我们使用基因组编辑技术引入新的植物性状通过直接重写植物的遗传密码。这是更快和更精确的比传统育种,不如GMO技术,有争议的,可以大幅度提高几年甚至几十年的时间为农民开发新的作物品种。

还有另外一个动机选择使用基因编辑创建设计师作物。在2018年3月28日,美国农业部长Sonny Perdue宣布美国农业部植物新品种不规范发展与基因组编辑等新技术将产生植物区别那些通过传统育种方法培育的。相比之下,植物,包括基因或基因从另一个生物,如细菌,被认为是转基因。这是许多研究人员和公司的另一个原因喜欢使用农业CRISPR每当它是可能的。

改变植物的蓝图

我们使用的基因编辑工具叫做CRISPR——代表“经常聚集空间短回文的重复序列”——改编自细菌的防御系统。这些细菌CRISPR系统被修改,因此科学家像我这样可以编辑的DNA植物、动物、人体细胞和微生物。这项技术可以用在很多方面,包括正确的基因错误导致疾病,在人类疾病研究,工程师动物饲养和创造新颖的遗传变异,能加速作物改良。

使用CRISPR粮食作物的引入一个有用的特征,我们需要知道的基因控制一个特定的特征。例如,先前的研究表明,一种天然植物激素赤霉素对株高至关重要。GA20-ox基因控制的数量赤霉素生产的植物。创建一个“低频率”割草坪草品种,例如,我们正在编辑的DNA - DNA序列的变化,这种植物的基因——减少的输出GA20-ox基因选择的草坪草。较低的赤霉素,小草不会成长为高,不会需要经常修剪。

CRISPR系统是来自细菌。它是由两部分组成:Cas9,蛋白质片段DNA,RNA分子作为模板编码植物的DNA的新特征。

使用CRISPR植物中,标准的方法是插入CRISPR基因编码CRISPR-Cas9“编辑机器”到植物细胞的DNA。当CRISPR-Cas9基因被激活时,它将查找和修改植物基因组的相关部门,创建新的特征。

但这是“第22条军规”。因为与CRISPR执行DNA编辑/ Cas9你第一次与外国CRISPR基因改变植物的基因——这将使转基因生物。

非转基因作物的新战略

年度作物如玉米、水稻和番茄,完成他们的生命周期内的种子从发芽到生产一年,CRISPR基因可以很容易地编辑植物淘汰。这是因为这些植物种子生产不带CRISPR基因,只是新特征。

但这个问题很棘手的多年生植物,需要10年达到花和种子生产的阶段。需要太长时间等待CRISPR基因的种子,是免费的。

我的团队在康涅狄格大学和我的合作者南京农业大学,江苏省农业科学院,佛罗里达大学,湖南农业大学和圣地亚哥加州大学最近开发了一个方便、可靠的新技术使用CRISPR创建理想的特征在没有引入任何外国细菌基因的农作物。

我们首先设计了一个自然发生的土壤微生物、土壤杆菌属,CRIPSR基因。然后我们年轻的叶子或拍摄从植物材料和混合在培养皿中细菌和允许他们酝酿在一起几天。这使细菌感染的细胞和交付基因编辑机器,然后改变了植物的遗传密码。

在某些土壤杆菌属感染细胞,农杆菌属基本上是特洛伊木马,把所有的编辑工具进入细胞,而不是工程机械工厂有自己的编辑。因为细菌的基因或CRISPR基因不要成为植物的基因组在这些细胞的一部分,只做基因编辑的工作——任何植物来自这些细胞不被看作是转基因。

几天后,我们可以从编辑植物细胞培养植物。那么它需要几周或几个月增长一个编辑植物可以种植在农场。难的是找出哪些植物被成功修改。但我们有办法解决这个问题,开发了一种方法,只需要两周的时间来确定编辑植物。

基因设计草坪

编辑植物与人类细胞的一个重要区别是,我们并不关心编辑错误。对于人类来说,这样的错误可能会导致疾病,但非目标突变植物不是一个严重的问题。大量的已发表的研究低到可以忽略不计的非目标活动报道中观察到植物与动物相比,系统。

同时,在分发任何植物种植的农民,编辑植物将仔细评估明显的生长和发育缺陷或应对干旱,极端温度、疾病和昆虫的攻击。此外,DNA测序编辑植物一旦他们已经开发可以很容易地识别任何重大不良不相干的突变。

除了柑橘类,我们的技术应该是适用于大部分多年生农作物如苹果、甘蔗、葡萄、梨、香蕉、杨树,松树,桉树和一些年度作物如草莓、马铃薯和甘薯不使用种子传播。

我们也看到一个角色在许多其他植物基因组编辑技术用于农业、园艺和林业产业。例如,我们正在创造草坪草品种,需要更少的肥料和水。我敢打赌,你也会这样的。