crispr（基因编辑技术）：避开转基因漩涡？

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C R I S P R是一种基因编辑工具 ，科学家利用这一技术 ，能够以前所未有的准确性改变生物的基因组 。由于这种技术容易操作 ，且成本低廉 ，使得小型农业公司也有机会掌握强大的基因改造能力 ，而不是只能由大公司独享 。新技术的支持者认为 ，与人类使用了数千年的传统植物杂交技术相比 ， C R I S P R的生物破环性更小 。 C R I S P R或许能够改变人们对于转基因食品的态度 ，但也有可能被人们看成是最新的基因改造食品 。

斯蒂芬 · S ·霍尔是一位科学作家 ，他的最新著作名为 《智慧 ：从哲学到神经科学 》 （ W i s d o m : F r o m P h i l o s o p h y t o N e u r o s c i e n c e ） 。在美国宾夕法尼亚州切斯特县 （ C h e s t e r C o u n t y ）一家酒店的会议大厅中 ，一百多位农业生产者齐聚一堂 ，他们或许没有基因编辑的相关知识背景 ，但都对蘑菇了若指掌 。在宾夕法尼亚州 ，蘑菇的平均日产量近 5 0 0吨 ，雄霸美国 1 2亿美元的蘑菇市场 。然而 ，他们生产的蘑菇有些还没来得及卖出去 ，就在货架上变成褐色 ，腐败了 ；如果你触摸过腐败的黏糊糊的白蘑菇 ，就会明白为什么没人买了 。

蘑菇对于物理碰撞十分敏感 ，即便是小心谨慎的 “一触式 ”采摘法和精心的包装 ，也可能激活那些加速蘑菇变质的酶 。去年秋天一个有雾的清晨 ，在与蘑菇相关的继续教育讲座上 ，一位名叫杨亦农 （ Y i n o n g Y a n g ）的生物学家走上讲台 ，向大家宣布他已找到了有望解决蘑菇变褐问题的方法 。这位宾夕法尼亚州立大学的植物病理学教授虽然不是蘑菇种植领域的专家 （用他自己的话来说就是 ， “我对于蘑菇的了解仅限于如何吃掉它 ” ） ，但他利用一种叫做 “ C R I S P R ”的新技术 ，对西方世界最受欢迎的食用菇 ——双孢蘑菇 （ A g a r i c u s b i s p o r u s ） ，进行了基因组编辑 。

听众席里的种植者们或许从未听说过 C R I S P R技术 ，但当他们在杨亦农所展示的照片中看到 ， C R I S P R的发明者詹妮弗 ·道纳 （ J e n n i f e r D o u d n a ）和艾曼纽 ·卡彭蒂耶 （ E m m a n u e l l e C h a r p e n t i e r ）在 2 0 1 4年 1 1月从好莱坞女影星卡梅隆 ·迪亚茨 （ C a m e r o n D i a z ）手中接过 “突破奖 ” （ B r e a k t h r o u g h P r i z e ，奖金为 3 0 0万美元 ）时 ，他们明白这肯定是一项了不起的新技术 ；杨亦农把经过 C R I S P R技术改造后纯白的双孢蘑菇与腐坏变褐的普通蘑菇做了一番对比之后 ，他们也意识到其中潜藏的巨大商业价值 。双孢蘑菇是一种全能菌株 ，年产量超过 4 1万吨的白蘑菇 （ w h i t e b u t t o n ） 、小褐菇 （ c r e m i n i ）和大褐菇 （ p o r t o b e l l o ）都属于这个菌种 。 （宾夕法尼亚州立大学也深谙其商业价值 ，就在杨亦农举行讲座的前一天 ，他们为该研究成果申请了专利 。 ） C R I S P R技术问世以来的短短 3年间 ，围绕这项技术发生的事件此起彼伏 ，精彩程度简直可与狄更斯的小说媲美 。

这项革命性的技术具有极大的应用价值 ，它在医学和农业中的商业价值高达数十亿美元 ，但同时它也是一个棘手的生物伦理学难题 ，而且深陷复杂的专利权之争 。这项技术如同一场席卷整个基础研究领域的 F 5级龙卷风 。研究机构的实验室和生物技术公司正利用该技术 ，紧锣密鼓地研发治疗镰刀形红细胞贫血症 （ s i c k l e c e l l a n e m i a ）和地中海贫血症 （ b e t a t h a l a s s e m i a ）等疾病的新方法 。现在已有人揣测 ，一些手作艺术家 （ D I Y a r t i s t ）和生物技术企业家会利用该技术创造各种各样的基因编辑产品 ，从紫色的毛绒兔到活生生的基因编辑生物 ，就像最近在中国作为宠物推出的迷你猪 。

利用 C R I S P R技术来修复胚胎或永久性编辑人类基因 （一种被称为人类生殖细胞系改造的方法 ） ，已经引起各界对于 “优化 ”人种的激烈争论并要求对此颁布国际禁令 。虽然不及在其他领域的曝光率 ， C R I S P R所引起的技术革命也对农业界产生了深刻影响 。截至 2 0 1 5年秋 ，利用 C R I S P R技术对植物进行基因编辑的科学论文已发表了约 5 0篇 ，而且有初步迹象显示 ，美国农业部认为并非所有经过基因编辑的农作物都需要像 “传统 ”转基因作物 （ G M O ）一样 ，接受严格的监管 。虽然监管部门对基因编辑作物的态度还未完全明朗 ，但多家公司已开始争相种植基因编辑作物 ，以期这些农作物最终能够进入市场 。

C R I S P R技术的最大优势在于前所未有的精准度 。 C R I S P R技术能够敲除基因组中的任何基因 ，或在基因组的特定位置插入基因 ，来为农作物导入优良性状 。该技术的使用者认为 ，这是所有植物育种方法 （包括人类使用了数千年的 “自然 ”育种技术 ）中 ，生物破坏性最小的 。该技术还让科学家可以在很多情况下避免使用颇具争议性的转基因技术 （即引入外源性基因 ） ；这些 “转基因 ”作物 ［例如孟山都公司 （ M o n s a n t o ）生产的 、对除草剂具有抗性的转基因玉米和大豆 ］让 G M O的批评者特别愤怒 ，并导致公众对转基因技术的不信任 。一些科学家对 C R I S P R作物的前景表示乐观 ，因为他们认为这些作物与转基因作物具有根本性的不同 ，而这将改变人们对于 G M O食品的争论 。丹尼尔 · F ·沃伊塔斯 （ D a n i e l F . V o y t a s ）既在学术机构任职 ，也是一家生物技术公司的科学家 ，他认为 ： “这项新技术让我们不得不重新思考 G M O到底是什么 。 ”消费者会同意这些科学家的观点吗 ？还是会认为 C R I S P R作物不过是另一种转基因食品 ，同样是对自然基因的改变 ，对农商行业有利的外源 D N A仍会被引入农作物 ，对健康和环境产生无法预料的影响 ？由于 C R I S P R技术现在才刚开始应用于粮食作物 ，这些问题还没有在大众中激起波澜 ，但它很快就会引起公众的关注 。

在未来的一两年内 ，蘑菇种植者可能是首批需要考量这个问题的群体 。就在讲座结束不久 ，一位业内的科学家提醒杨亦农注意 C R I S P R食品可能会面临的主要挑战 。这位科学家同意杨亦农的观点 ：与传统转基因作物相比 ，这些改良蘑菇对本源 D N A的改变很小 。

但这位科学家接着又说 ： “但这种技术说到底仍然是基因修饰 ，有些人会认为我们在扮演上帝 。我们要如何解决这个问题呢 ？ ”杨亦农和其他使用这种基因编辑技术改良粮食作物的科学家如何解决这个问题 ，将会决定 C R I S P R技术的命运 ——成为一项变革性技术 ，还是因为公众的抗拒而前景堪忧 。改造蘑菇要想知道一种技术具有多大的革命性 ，一个最明显的标志就是研究人员多快开始应用该技术解决各自的研究问题 。若以这种标准来衡量 ， C R I S P R可说是半个世纪以来最强大的生物学工具之一 。基因编辑的蘑菇就是一个很好的例证 。

直到 2 0 1 3年 ，杨亦农才开始研究蘑菇 ，但你可以说他之前的研究都在为此奠定基础 。杨亦农出生在上海南边的中国柑橘之都 ——黄岩 。上世纪 9 0年代中期 ，他在美国佛罗里达大学和阿肯色大学修读研究生课程时 ，就开始接触到一些早期的可以编辑基因的酶 。他还清楚地记得 ，他翻开 2 0 1 2年 8月 1 7日出版的 《科学 》杂志时 ，看到道纳实验室和卡彭蒂耶实验室发表的论文 ，该文讲述了 C R I S P R技术的基因编辑潜力 。他当时就想 ： “哇 ，就是它了 。 ”在之后的几天里 ，他就开始计划利用基因编辑改良稻谷和马铃薯植株的性状 。他的实验室在 2 0 1 3年夏天发表了第一篇关于 C R I S P R的论文 。

意识到 C R I S P R技术巨大价值的人并非只有他一个 。 C R I S P R技术一经发表 ，植物学家就对此趋之若鹜 。中国的科学家立即开始采用这项技术 ，让小麦具备了抵抗一种长期病害 ——白粉病 （ p o w d e r y m i l d e w ）的品性 ，他们在 2 0 1 4年发表的研究成果震惊了整个农业界 （这项研究是中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队完成的 ） 。不过 ，在 C R I S P R技术出现之前 ，基因编辑的革命就已经开始了 。对于沃伊塔斯这样的科学家来说 ， C R I S P R不过是一个漫长科学传奇的最新篇章 ，即基因编辑技术开始产生丰硕成果的阶段 。

1 5年前 ，沃伊塔斯在美国艾奥瓦州立大学首次尝试利用 “锌指 ” （ z i n c f i n g e r s ）技术 ，对植物进行基因编辑 ；他的第一个基因编辑公司由于专利方面的问题而触礁 。 2 0 0 8年 ，他迁至明尼苏达大学 ，并于 2 0 1 0年与艾奥瓦州立大学的前同事亚当 ·博格达诺夫 （ A d a m B o g d a n o v e ）一起 ，为一种以 T A L E N s （一种基因编辑技术 ）为基础的植物基因编辑系统申请了专利 。同年 ，沃伊塔斯及同事创建了现在的 C a l y x t公司 。虽然不像 C R I S P R技术那样备受瞩目 ，但农业科学家利用 T A L E N s技术培育的基因编辑作物 ，已经在北美洲和南美洲的农田中进行种植 。例如 ， C a l y x t公司已经研发了两种大豆改良品系 ，以生产更健康的大豆油 ，其中单不饱和脂肪酸 （ m o n o u n s a t u r a t e d f a t ）的含量与橄榄油和菜籽油相当 。

该公司还对一个马铃薯品系进行了基因编辑 ，防止马铃薯在冷藏时累积某些糖分子 ，以降低由于储藏导致的苦味 ；同时防止马铃薯在油炸时产生丙烯酰胺 （ a c r y l a m i d e ，一种疑似致癌物 ） 。由于这些基因修饰没有导入任何外源基因 ，美国农业部 （ U S D A ）下属的动植物卫生监察局 （ A n i m a l a n d P l a n t H e a l t h I n s p e c t i o n S e r v i c e ， A P H I S ）去年决定 ，这些农作物无需接受像 G M O那样严格的管制 。

去年 1 0月 ，沃伊塔斯告诉我 ： “我们公司研发的一个马铃薯品系和两个大豆品系已经通过美国农业部的审核 ，今年我们的马铃薯和其中一个大豆品系就能在农田里种植了 。他们基本上把这些品系等同于那些通过化学突变 、伽马辐射突变或其他非管制技术所产生的农作物 。我们的农作物品系通过了安全审核 ，几乎能够直接从温室拿到农田中种植 ，这是一个很大的优势 ，加快了我们的产品研发速度 。 ”研究动物的科学家也紧跟基因编辑的技术风潮 。

R e c o m b i n e t i c s公司是美国明尼苏达州的一家小型生物技术公司 ，该公司的研究人员从基因水平阻断了荷斯坦奶牛 （ H o l s t e i n c o w s ，乳制品业的主要乳牛品系 ）体内控制牛角生长的生物信号 。他们通过基因编辑 ，将阿格斯肉牛 （ A n g u s b e e f c a t t l e ）的自然突变无角基因 ，导入荷斯坦奶牛的基因组中 。农业科学家认为 ，基因编辑技术让养殖业更人道 ，因为这种技术让公的荷斯坦奶牛无需接受残酷的去角手术 。去掉奶牛的角 ，不仅可以防止奶牛打斗受伤 ，还可防止伤及奶农 ，所以奶农通常会挖出刚开始发育的牛角 ，并用电烙铁破坏其生角组织 。斯科特 ·法伦克鲁格 （ S c o t t F a h r e n k r u g ）是 R e c o m b i n e t i c s公司的首席执行官 ，他认为这种基因编辑过程不涉及转基因 ，只是在奶牛的基因组中引入几个碱基 ，其基因组成与我们已经在吃的食物并无差异 。与此同时 ，中国和韩国的科学家已经开始合作研发肌肉型肉猪 ，他们计划利用基因编辑技术 ，敲除猪体内的肌肉生长抑制素 （ m y o s t a t i n ）基因 。

C R I S P R技术快捷 、简易且经济 ，因此它比 T A L E N s技术更具吸引力 。沃伊塔斯说 ： “毫无疑问 ， C R I S P R技术将成为植物基因编辑的首选工具 。 ”但目前 C R I S P R技术的专利归属还不明朗 ，加利福尼亚大学和博德研究所 （ B o a r d I n s t i t u t e ，由麻省理工学院和哈佛大学合办 ）都声称自己是 C R I S P R技术的发明者 ，这必将阻碍该技术在商用农业研发中的应用 。杜邦公司 （ D u P o n t ）最近与加利福尼亚大学伯克利分校下属的生物技术公司 ——C a r i b o u B i o s c i e n c e s达成 “战略合作 ” ，在农业研究中展开 C R I S P R技术的应用 ，但有两家小型生物技术公司的经理告诉 《科学美国人 》杂志 ，在 C R I S P R技术的专利之争还未解决之前 ，他们对于 C R I S P R技术相关产品的研发将持谨慎态度 。

研究机构的实验室则不太在意这个问题 。我们的基因编辑蘑菇的故事在 2 0 1 3年 1 0月出现了关键转折 ，一位名叫戴维 ·卡罗尔 （ D a v i d C a r r o l l ）的宾夕法尼亚州立大学校友敲开了杨亦农实验室的门 。卡罗尔碰巧是乔治蘑菇公司 （ G i o r g i M u s h r o o m ）的董事长 ，他想知道新的基因编辑技术能否被用于蘑菇改良 。由于杨亦农清楚 C R I S P R技术能够精准地进行基因突变 ，所以他的回答是 : “你想要什么样的性状 ？ ”卡罗尔建议减少蘑菇的褐变 ，杨亦农立即同意着手研究 。杨亦农非常清楚他需要编辑哪个基因 。生物学家之前已经确认了 6种编码褐变酶的基因 ，导致苹果和马铃薯褐变的酶也是由这类基因编码的 。这些所谓的褐变基因中有 4种在蘑菇的子实体中高度表达 ，产生大量的褐变酶 ，杨亦农认为如果他能利用基因编辑技术在蘑菇基因组中引入突变 ，阻止其中一个褐变基因的表达 ，就可能减缓蘑菇的褐变速度 。

C R I S P R技术之所以如此简易 ，是因为生物学家能够直接根据需求构建产生突变的分子 。就像结合了指南针 、剪刀和老虎钳功能的工具刀 ，这些分子工具能够出色地完成两个任务 ：锁定特定的 D N A序列 ，然后对它进行剪切 （恰似老虎钳或支架在剪切时的固定作用 ） 。该技术依据著名的沃森克里克 A T 、 C G碱基配对原理 ，利用一小段与标靶 D N A序列互补的核酸 （ g u i d e R N A ，即向导 R N A ）来锁定突变位置 。如果你合成一段包含 2 0个碱基对的向导 R N A ，它能够在包含 3 0 0 0万个碱基对的蘑菇基因组中 ，像卫星定位系统一样准确地找到与之互补的 D N A序列 。对于这个位点的剪切则由 C a s 9核酸内切酶来完成 ，这种酶最早是从酸奶的细菌中提取出来的 ，向导 R N A分子则充当其载体 。 ［实际上 “ C R I S P R / C a s 9 ”技术是个误称 ，因为 C R I S P R指的是仅存在于细菌中的一种 D N A片段 ——成簇规律间隔短回文序列 （ c l u s t e r e d r e g u l a r l y i n t e r s p e r s e d s h o r t p a l i n d r o m i c r e p e a t s ） 。 C a s 9蛋白才是结合在向导 R N A上 ，在植物 、真菌和人体内剪切 D N A的酶 ，整个基因编辑过程完全没有涉及成簇规律间隔短回文序列 。 ］标靶位点 D N A的剪切一旦发生 ，突变就会随之自然发生 。只要 D N A双螺旋结构被剪切 ，细胞就会发现切口并开始进行修复 。然而 ，这些修复并不完美 ，这就是 C R I S P R技术能够制造突变的原因 。

在修复过程中 ， D N A序列中的部分碱基通常会被删除 ；由于细胞是根据 D N A序列中的三联密码子 （ m R N A中 ，每个密码子由 3个相邻的核苷酸组成 ，代表一种氨基酸 ）来合成蛋白质的 ，所以只需删除几个碱基 ，就会因为阅读读框移位 （ r e a d i n g f r a m e s h i f t ）而破坏整个基因的表达 。对蘑菇进行基因编辑就是这样的原理 。

杨亦农利用一个微小的 D N A突变破坏了一种褐变酶基因的表达 ，并用 D N A检测对这一突变进行了确认 。杨亦农说一个熟练的分子生物学家大约能在 3天内构建一个专门的突变工具 ，用于编辑任何生物的任何基因 。这正是 C R I S P R技术被科学家追捧的原因 ——快捷 、经济且简易 。在实验室中制造抗褐变的蘑菇大约花费了 2个月的时间 ；杨亦农暗示这类研究如果不是特别简单 ，也是极其程式化的 ，而且花费非常少 。合成向导 R N A及其 “骨架 ”算是整个研究项目中最难的步骤了 ，也只需几百美元就能完成 ；目前有很多小型生物技术公司正在定制用于编辑任何基因的 C R I S P R架构 。

其实此项研究的最大花费是在人力 ：杨亦农实验室的博士后沈香玲 （ X i a n g l i n g S h e n ）是利用业余时间完成这个项目的 。杨亦农说 ： “如果不考虑人力 ，这个项目大约只需不到 1万美元 。 ”这点经费在农业生物技术领域 ，简直就是毛毛雨 。而且 ，在用 C R I S P R技术编辑作物基因方面 ，管制较宽松 ，这也能节省大量人力物力 。去年 1 0月 ，杨亦农为美国农业部动植物卫生监察局的官员做了一个关于蘑菇研究的非正式介绍 。这家机构是决定经过基因修饰的粮食作物是否需要政府管制的部门 （简单来说 ，就是决定它们是否属于转基因作物 ） 。杨亦农在会议结束后确信 ，美国农业部的官员认为 ，经过编辑的蘑菇并不需要特别或长期的管制审查 。如果真的如此 ，这将是 C R I S P R技术最重要的经济优势 ，因为据沃伊塔斯估计 ，管制审查过程的花费可能高达 3 5 0 0万美元 ，耗时可能长达 5年半 。蘑菇作为检验 C R I S P R技术在农业中应用的最佳物种 ，其另一个优点就是真菌的生长速度 ：蘑菇从菌丝体到成熟 ，仅需约 5周时间 ，而且它们能整年在无窗的恒温环境 （蘑菇房 ）中生长 。

相较之下 ， C a l y x t公司培育的经过基因编辑的大豆和马铃薯 ，则需花费数月进行田间试验 ，这就是为什么该公司在去年冬天 （ 2 0 1 4 2 0 1 5 ）跑到阿根廷去申请获得大豆品系的种植许可 。沃伊塔斯说 ： “来回穿越赤道是为了能在同一年里多次收种试验作物 。 ”去年 1 0月 ， C a l y x t公司第一次收获了他们在北美洲种植的基因编辑作物 。长期以来 ，对于基因修饰的一个担忧就是 ，它可能会导致不可预知的可怕后果 。在生物技术食品领域 ，这通常意味着含有意外出现的毒素或致敏原 ，使经过基因编辑的食品变得不健康 （但这种担忧从来没有在转基因食品的历史中真正出现过 ） ；或者基因修饰作物失控疯长 ，破环种植地的生态平衡 。

约翰 ·佩齐亚 （ J o h n P e c c h i a ）这样的学者甚至在考虑 ，如果 C R I S P R技术出现上述意外 ，将会带来多大的经济损失 。佩齐亚是宾夕法尼亚州立大学里另一位研究蘑菇的教授 ，他的大部分时间都是在校园边缘那座低矮的实验楼里度过的 ，这里是美国唯一一个蘑菇研究学术中心 。 2 0 1 5年春 ，佩齐亚从杨亦农那里取得了一些培养物 ，开始种植第一批基因编辑蘑菇 。在一个雾气濛濛 、室温高达 8 0 ℃ 、散发着腐败气味儿的房间门口 ——房间里正在制造蘑菇的培养物 ，佩齐亚告诉我们 ，保存期较长的蘑菇对储藏环境的要求比较少 ，但也可能给我们带来意想不到的竞争 。他补充道 ： “来自外国的蘑菇也许会因此敲开我们的国门 ，所以这是一把双刃剑 。 ”植物杂交基因改造人类种植庄稼已有几千年历史 ，一直以来都致力于把各种优良品性 （例如高产 、抗病 ）引入现有品系 。最初 ，人们使用传统的杂交技术 。

2 0世纪初 ，科学家开始在现有植株中诱发突变 ，希望发现随机产生的优良品性 。今天 ，新的 “精准育种 ” （ p r e c i s i o n b r e e d i n g ）技术 ，如 C R I S P R技术 ，能让科学家以前所未有的准确性让特定基因发生突变或引入新的遗传品性 。所有这些技术都改变了植株的 D N A ，那么哪些才是转基因作物 （ G M O ）呢 ？主要概念诱变 ：自上世纪 2 0年代起 ，农业科学家就开始有目的地利用 X射线 、伽马射线或化学药物诱发植物种子的 D N A突变 ，然后种植这些种子 ，看其长出的植株是否获得了优良品性 。如果有 ，那获得了优良品性的植株就会与已有的品系进行杂交 。美国农业部认为 ，用这种方法得到的作物不属于转基因作物 。

基因沉默 ：在过去 1 0年里 ，科学家可以把一些 R N A引入植物细胞 ，阻止某些导致不良品性的基因的表达 。这些 “干扰 ” R N A （即 i R N A ）能够破坏那些编码不良品性的特定 D N A序列 。许多食用农作物 ，包括不会褐变的马铃薯和苹果 ，都是通过这种方式培育出来的 。美国农业部没有把这些作物叫做转基因作物 。同源转基因 ：这种方法是将具有亲缘性的植物品种的特定基因引入植株 。而特定基因的转移通常是通过一种感染植物的微生物 ——根瘤农杆菌 （ A g r o b a c t e r i u m t u m e f a c i e n s ）来完成的 ，但基因插入植株 D N A的位点则是半随机的 。对于这些同源转基因作物 ，美国农业部则是根据实际情况 ，进行逐一审查 ，以确定对其的监管水平 。

转基因 ：这种技术涉及将编码优良品性的外源 D N A转入没有亲缘关系的植株中 。与同源转基因作物一样 ，它也是利用根瘤农杆菌将外源 D N A引入接受转染的植物细胞 。转基因作物包括具有抗除草剂基因的玉米 。美国种植的大豆有 9 0 %都是转基因的 。美国农业部将这些作物称为转基因作物 。传统植物杂交技术这包括诱变后选择性配种和杂交 。在自然配种过程中 ，大段的染色体 （高达数百万碱基 ）会随着优良品性一起引入驯化的作物品系 。随后的杂交通常会将转入的 D N A量逐渐减少 ，但插入的基因通常会保留成百上千个碱基对 ，而且在此过程中还可能转入一些不良基因 （称为连锁累赘 ， l i n k a g e d r a g ） 。 2 0 1 0年 ，对拟南芥 （ A r a b i d o p s i s ，植物研究的模式物种 ）的基因组分析显示 ，传统育种方法在每个世代每 1 0亿碱基对中 ，会引入大约 7个新的自发性突变 。

第一代基因修饰技术上世纪 8 0年代 ，农业科学家利用生物制剂 （根瘤农杆菌 ）或物理助力 （即所谓的基因枪 ）将新的基因插入植物细胞中 ，创造了第一批基因改造作物 。这些插入的基因可以是外源转基因 （ t r a n s g e n i c ） ，也可以是同源转基因 （ c i s g e n i c ） 。

第二代基因编辑技术生物学家利用精确基因编辑技术 （锌指 、 T A L E N s及 C R I S P R技术 ） ，能够阻止特定基因的表达 （见下图 ） ，或用其他基因来替换特定基因 。用于替换的基因可以来自非亲缘物种 （转基因 ）或亲缘物种 （同源转基因 ） 。虽然 C R I S P R技术能够锁定特定位置 ，但 C a s 9核酸内切酶有时会进行非程序化 、 “脱靶 ”剪切 ；有限的数据显示 ，在植物中脱靶剪切十分罕见 。在基因修饰食品上市的曲折道路上 ，还有另一个矛盾 。那就是没有人知道基因编辑的蘑菇是什么味道 。这些蘑菇被煮过 ，也被蒸过 ，但没有人吃过 。到目前为止 ，杨亦农做完褐变实验后 ，所有经过基因编辑的蘑菇都会被销毁 。佩齐亚说 ： “一旦完成了原理验证 ，我们就得把它们蒸熟扔掉 。 ”基因编辑算转基因吗公众会怎么食用这些经过基因编辑的食物呢 ？蒸还是炒 ？他们会欢迎这些食物进入厨房 ，盛入他们的餐盘吗 ？这也许是整个 C R I S P R食品故事中最有趣的部分 ，公众对这类食物的接受度将是最重要的一环 。

针对基因修饰作物的论战已经喧嚣了 3 0年 ，而 C R I S P R技术恰好出现在这个关键时刻 。当杨亦农为宾夕法尼亚州的农业生产者和美国农业部的官员介绍蘑菇研究项目时 ，他用了一个很能说明问题的短语 ——非转基因遗传修饰 ，来描述他的实验本质 。这个经过仔细斟酌的新提法 ，是为了将 C R I S P R这类高精度的基因编辑技术 ，与早前将外源 D N A转入植物的农业生物技术区分开来 。杨亦农和许多人都认为 ，微妙的措辞对于避免陷入 G M O那样的争论至关重要 。实际上 ，已经开始出现 “ G E O ” （ g e n e e d i t e d o r g a n i s m ）这样的缩写来替代 “ G M O ”或 “ G M ” 。

随着奥巴马政府开始全面修订整个基因修饰作物和食品的审查体系 ，对基因修饰生物的重新划定正在一步步展开 ，这不仅是在语言用词上 ，更是在哲学意义上的改变 。名为 《生物技术监管协调框架 》 （ C o o r d i n a t e d F r a m e w o r k f o r R e g u l a t i o n o f B i o t e c h n o l o g y ）的监管法规为美国农业部 、美国食品及药品管理局和美国环保局划定了各自的职责 ，但它自 1 9 9 2年起就没有更新过 。 C R I S P R技术的影响力促使监管机构加快修订相关法规的步伐 ，而科学家则利用这个机会重新审视一个老问题 ： “基因修饰 ”到底是什么意思 ？鉴于沃伊塔斯在基因编辑粮食作物领域发表的论文和申请的专利 ，他可说是美国小型农业生物技术公司的 “总编辑 ” 。当被问及这个问题时 ，他酷酷的一笑 ，回答道 ： “基因修饰是个复杂的术语 。 ”到底有多复杂呢 ？生物技术食品的批评者大多认为 ，任何形式的基因修饰都应该属于 G M ，它们都有可能造成意外的突变 ，对人类健康或环境构成威胁 。

像沃伊塔斯和杨亦农这样的科学家则认为 ，所有形式的植物育种 （可追溯到 3 0 0 0年前新石器时代的人培育的小麦 ）都涉及基因修饰 ，而且传统的育种技术从生物学意义上来说并非是无害的 。就像杨亦农所说的 ，它会造成 “巨大 ”的遗传破坏性 。 ［美国科学促进会 （ A m e r i c a n A s s o c i a t i o n o f A d v a n c e m e n t o f S c i e n c e ）的前任主席 、植物学家尼娜 ·费多罗夫 （ N i n a F e d o r o f f ）就曾把通过传统育种方法培育的驯化小麦称为 “遗传畸形 ” 。 ］上世纪 7 0年代 ，在催生了第一代农业生物技术公司的重组 D N A时代到来之前 ，育种者通常使用 “暴力 ” （ X射线 、伽马射线或烈性化学药物 ）来改变植物的 D N A 。虽然这是些老大粗的方法 ，但这些随机的人造突变的确改变了植物的基因 ，而且产生了一些优良的性状 ：高产 、外型更美观的果实以及在恶劣条件下生长的能力 ，如抗旱性 。然后 ，这些有益突变可以通过杂交与其他品系的优良性状相结合 。杂交育种需要花费很长的时间 （通常 5 ~ 1 0年 ） ，但至少是 “自然的 ” 。

然而 ，这个过程其实具有很大的破坏性 。无论人类或植物 ，当两个个体的 D N A在繁殖过程中结合在一起时 ， D N A都会打乱 ，这个过程叫做染色体重组 。每个世代都可能发生自发性突变 ，而且每当育种者引入一个优良性状时 ，就会有数百万的碱基对发生转移 。这个过程的确是 “自然发生的 ” ，但沃伊塔斯认为这也是一个 “大整合 ”的过程 。他谈道 ： “在这个过程中 ，你不是只转移一个基因 ，你通常会从野生品种转移很多 D N A到目标植株中 。 ”而且在育种过程中 ，不良性状往往也会随着优良性状一起遗传给子代 ——这就是所谓的 “连锁累赘 ” （ l i n k a g e d r a g ）现象 ，可能危害自然育种植物 。根据最近对水稻植株的遗传学研究发现 ，一些生物学家猜测 ，在水稻的驯化过程中 ，育种者在引入明显的优良性状的同时 ，也在无意中引入了 “潜伏 ”的不良突变 。

虽然 C R I S P R技术比传统育种技术更精确 ，但也并非万无一失 。有时 ，这个精确的剪切工具也会对非目标区域进行剪切 ，存在 “脱靶 ”的可能 ，这引起了一些人对该技术安全性的担忧 （这也是对人类精子和卵细胞进行基因编辑 ，仍然被认为不安全且不道德的主要原因 ） 。

珍妮弗 ·库兹马 （ J e n n i f e r K u z m a ）是美国北卡罗来纳州立大学的政策分析师 ，她从 G M O农业起步初期就开始关注与此相关的科学进展与政策变化 。她谈道 ： “精确性是这项技术的优点 ，但那并不意味着会降低相关的风险 。脱靶剪切可能会产生完全不同的危害 。 ”博德研究所 （持有目前最具争议的 C R I S P R技术专利 ）的张锋已经发表了数篇论文 ，阐述如何提高 C R I S P R系统的特异性 ，降低脱靶概率 。

C R I S P R技术简易且相对便宜 ，使得做学术研究的实验室和小型生物技术公司终于有机会回到农业产业领域 ，与一直占主导地位的大公司展开竞争 。只有资金雄厚的公司才有能力承担研发初期高昂的监管审查费用 ，直至今日 ，不管是孟山都培育的耐除草剂农作物 ，还是 C a l g e n e公司研发的 、更便于运输存储的 F l a v r S a v r西红柿 （这种西红柿更能耐受运输过程中的碰撞 ，但 1 9 9 8年 ，美国食品连锁超市拒绝销售转基因西红柿 F l a v r S a v r ，美国农场从此停止转基因西红柿的种植 ） ，几乎所有通过基因改造产生的作物性状 ，都是用来为种植者或公司提高经济效益的 。与消费者相比 ，那些农作物的基因修饰对商业公司更具吸引力 ，而这些公司并不会把食品本身的质量作为第一要素 。加利福尼亚大学戴维斯分校的一群农业政策专家最近观察到 ，在过去 1 0年间称霸这一领域的跨国公司中 ，有一半都只在乎农作物对于杀虫剂和除草剂的抗性 。

新加入这个领域的竞争者为农业带来了不同的创新 。例如 ，沃伊塔斯就认为基因编辑技术的精确性 ，让生物技术公司的科学家能够针对消费者的需求 ，创造出更健康更安全的食品 。沃伊塔斯及同事高彩霞就指出 ，其实植物中含有很多 “抗营养物质 ” （ a n t i n u t r i t i o n a l ，对营养物质的消化 、吸收和利用产生不利影响以及使人和动物产生不良生理反应的物质 ，统称为抗营养物质 ） ：如植物用于自我保护但对人体有害的物质或彻头彻尾的毒素 ，这些都能通过基因编辑去除 ，从而提高粮食作物的营养和味道 。 C a l y x t公司的马铃薯品系就通过基因编辑减少了因冷藏而产生的苦味 。

但沃伊塔斯并没有止步于此 。他相信可以把 C a l y x t的大豆品系作为非转基因产品出售给种植者 ，因为与目前美国种植的 9 0 %的大豆不同 ，这个经过基因编辑的品系不含任何转基因 。他谈道 ： “很多人抗拒转基因产品 。我们能够用我们生产的大豆 ，制造非转基因大豆油和大豆粉 。 ”与其他的强大科技一样 ， C R I S P R技术激发了一些农业梦想家对未来农业的幻想 ，一些近乎科幻的场景 ，已经开始出现在科学文献中 。丹麦哥本哈根大学的植物学家迈克尔 ·帕尔姆格伦 （ M i c h a e l P a l m g r e n ）就提议 ，科学家可以利用这种新的基因编辑技术让粮食作物恢复 “野性 ” ，即恢复那些在长期的农业育种过程中失去的野生性状 。

许多具有高度经济价值的粮食作物 （大米 、小麦 、柑橘和香蕉 ）对于多种病原体的抗性都很差 ；修复丧失的基因有可能增强这些作物的抗病能力 。帕尔姆格伦和同事最近提出 ，希望能够 “逆转农业育种造成的意外后果 ” 。已经有科学家开始尝试恢复农作物的野生性状 ，但他们采用的是另一种方式 。沃伊塔斯在明尼苏达大学的实验室 ，不是在驯化品系中恢复丧失的野生性状 ，而是尝试一种叫做 “分子驯化 ” （ m o l e c u l a r d o m e s t i c a t i o n ）的方法 ：将现有杂交品系的优良基因转入耐受性及适应性更强的野生品种 （如野生玉米和马铃薯 ）中 。沃伊塔斯说 ： “让野生品种具备各种优良性状 ，如改变果实大小或玉米穗数等 ，通常只需改变 5 ~ 7个基因 。

现在 ，我们不必花费 1 0年时间将野生品种与驯化品系进行杂交育种 ，只需直接对相关基因进行编辑 ，就能驯化野生品种 。 ”初步迹象显示 ，基因编辑 （包括 C R I S P R技术 ）可能较快获得监管部门的批准 。到目前为止 ，至少美国的监管机构对某些基因编辑作物与转基因 G M O作物是区别对待的 。当 C a l y x t公司首次向美国农业部询问 ，是否需要对基因编辑的马铃薯进行监管审查时 ，美国联邦官员花了一年时间审查 ，终于在 2 0 1 4年 8月决定 ，基因编辑作物不需要特别考量 ；去年夏天 ，当该公司再次向美国农业部呈报他们的基因编辑大豆时 ，审查官员只花了两个月的时间就做出了类似的决定 。对于生物技术公司来说 ，这说明美国当局认为 ，这些基因编辑的新技术与转基因技术有着本质的不同 ；而对于基因修饰技术的批评者来说 ，这意味着生物技术公司在钻监管体系的空子 。

杨亦农的蘑菇也许是向美国农业部呈报的第一种 C R I S P R食品 。像 C R I S P R这样的新技术 ，促使一些政府开始重新审视 G M O的定义 。去年 1 1月 ，瑞典的农业委员会裁定 ：某些用 C R I S P R技术诱发的植物突变 ，不符合欧盟对于 G M O的定义 ；阿根廷政府也同样决定一些基因编辑作物不属于 G M O的管制范围 。欧盟一直以来都对转基因作物有相当严格的管制 ，随着新的基因编辑技术的出现 ，目前它正在重新审核相关政策 ，但相关立法还没有这么快 ，所以公众至少要等到今年三四月份 ，才有可能知道欧盟对基因编辑作物的态度 。虽然关于这个问题没有什么中间立场 ，但沃伊塔斯和其他人还是提出了一个具有潜力的妥协方案 ：通过基因编辑导致的基因突变或基因敲除 ，应该被看作类似传统育种方式 （例如用于诱发突变的 X射线 ）所导致的突变 ；而利用基因编辑引入新的 D N A ，则应该接受相应的监管审查 。粮食市场对基因编辑作物开放的日子也许已经不遥远了 。沃伊塔斯估计 ， C a l y x t公司会在 2 0 1 7年或 2 0 1 8年为经过基因编辑的大豆品系举办小型的商业推介活动 。他说 ： “要积累足量 （可供 2 0万公倾农田种植 ）的种子还需要一段时间 ，但我们正在尽力加快这个进程 。 ”公众对此又将做何反应 ？库兹马预测 ，那些一直反对基因修饰技术的人 ，仍不会轻易接受 C R I S P R食品 。她说 ： “抵制第一代 G M O的公众 ，不可能仅仅因为我们只改变了少量的 D N A ，就接受第二代基因改造技术 。他们还是会把 C R I S P R食品跟以前的 G M O归为一类 。 ”库兹马更关心的是 ，在越来越多基因编辑食品即将涌入市场的新时代 ，如何更新整个监管结构 ，以及在审查阶段吸纳更多的意见 。

杨亦农的蘑菇命运又将如何 ？在他的讲座结束时 ，种植蘑菇的种植者们除了礼节性的鼓掌之外 ，对于这个新技术并没有明显的反应和表态 。杨亦农也明白这一点 ，他告诉种植者们 ： “这种蘑菇能否商业化种植 ，完全取决于你们 。 ”抗褐变的蘑菇目前还暂时是验证性的实验项目 。如果种植者不确信抗褐变蘑菇的价值 ，或是害怕消费者会抗拒 ，那么这些经过基因编辑 、具有优良性状的蘑菇可能永无面世之日 。对于在黑暗中生长的蘑菇 ，不见天日通常不是件坏事 ，但对于这项变革性的新技术来说 ，或许不是什么好兆头 。


扩展阅读

P r e c i s i o n G e n o m e E n g i n e e r i n g a n d A g r i c u l t u r e : O p p o r t u n i t i e s a n d R e g u l a t o r y C h a l l e n g e s . D a n i e l F . V o y t a s a n d C a i x i a G a o i n P L O S B i o l o g y , V o l . 1 2 , N o . 6 , A r t i c l e N o . e 1 0 0 1 8 7 7 ;

J u n e 1 0 , 2 0 1 4 . C o n f l i c t i n g F u t u r e s : E n v i r o n m e n t a l R e g u l a t i o n o f P l a n t T a r g e t e d G e n e t i c M o d i f i c a t i o n . A d a m K o k o t o v i c h a n d J e n n i f e r K u z m a i n B u l l e t i n o f S c i e n c e , T e c h n o l o g y & S o c i e t y , V o l . 3 4 , N o s . 3 –4 , p a g e s 1 0 8 –1 2 0 ;

J u n e –A u g u s t 2 0 1 4 . F e a s i b i l i t y o f N e w B r e e d i n g T e c h n i q u e s f o r O r g a n i c F a r m i n g . M a r t i n M a r c h m a n A n d e r s e n e t a l . i n T r e n d s i n P l a n t S c i e n c e , V o l . 2 0 , N o . 7 , p a g e s 4 2 6 –4 3 4 ;

J u l y 2 0 1 5 . A F a c e L i f t f o r B i o t e c h R u l e s B e g i n s . E m i l y W a l t z i n N a t u r e B i o t e c h n o l o g y , V o l . 3 3 , N o . 1 2 , p a g e s 1 2 2 1 –1 2 2 2 ; D e c e m b e r 2 0 1 5 . T h e G e n e G e n i e . M a r g a r e t K n o x ; D e c e m b e r 2 0 1 4 .