近日，福建省農科院水稻研究所張建福研究員、謝華安院士團隊，在國際一流學術期刊《植物生物技術雜志》上發表了題為《水稻基于多重基因組編輯的快速定向改良復雜性狀》的研究論文。該成果不僅建立了適應水稻品種改良需求的快速育種體系和模型，也為研究復雜性狀的調控網絡提供了借鑒。
如同一把神奇的“剪刀”，基因編輯技術可以精準地切開DNA，像編輯文檔一樣改寫生命代碼。這把基因“魔剪”已廣泛應用于農業育種研究。不過，傳統基因編輯手段一次只能編輯少數幾個基因，效率較低。福建科學家讓這把“剪刀”具備了連續作戰能力，最多能同時編輯12個水稻基因，讓水稻育種獲得更大加速度。
從“開盲盒”到“私人定制”
這把“剪刀”為何如此重要？讓我們先從農業育種漫長的進階史講起。
5月24日，國際頂級學術期刊《科學》在線發表了我國一項最新研究成果，揭示了水稻從野生到馴化長約10萬年的連續演化史。早在約10萬年前，野生水稻就已在長江下游地區分布；約2.4萬年前，我國先民開始采集并利用野生水稻；約1.3萬年前，人們有意或無意地對野生水稻進行馴化前的栽培；約1.1萬年前，東亞稻作農業從這里發端。
在大自然中篩選天賦異稟的野生植物，通過人工栽培，讓其世代繁衍，為我所用，這就是農作物育種最初的模樣。這個過程依賴自然變異，有點像“開盲盒”。進入現代社會后，人們開始利用雜種優勢，在取長補短中定向選育多項全能的“六邊形戰士”。但這仍不是最高效的方法。雜交育種充滿不確定性，需要海量篩選鑒定，育成一個品種通常需要8至10年。
分子生物學的發展，破譯了生命的遺傳密碼，也為提升育種效率打開了新的大門。
人們發現，生命的外在特征取決于內在基因?；虻谋举|是DNA分子上的一些片段，ATCG等4種堿基的不同排列組合，決定了每一種基因的功能。這多么像程序代碼??！于是，在“解碼人”的努力下，人們逐漸讀懂了這些代碼背后的深意：有的調控水稻的株高，有的調控水稻熟期，有的調控水稻耐旱性……不同基因往往相互作用，最終構成了一個高度復雜的調控網絡。如果能夠像改寫程序代碼一樣，光標停到哪兒，就編輯哪個基因，不就可以定制人們所需要的水稻品種嗎？
基因編輯技術應運而生。
目前，最主流的基因編輯手段是CRISPR-Cas9系統。它源自微生物內部防御機制的啟發?？茖W家發現，一些細菌和古菌具有一項超級技能。當它們遭遇病毒入侵時，會默默記錄下對方的DNA序列，寫在復仇“小本本”上。當相同的病毒下次再次入侵時，細胞內部便能根據記錄，認出宿敵，產生一種特殊的蛋白質——核酸內切酶，一舉切斷病毒的DNA，使其無法作威作福。
依樣畫葫蘆，科學家人為構建了一套CRISPR-Cas9系統。這套系統包含兩個核心工具：一是用于識別基因位置的“導航器”，它可以精準找到某個基因在DNA上的位點；二是用于切割DNA的“剪刀”。DNA被切開后，細胞會迅速啟動修復機制。但就像代碼容易出現bug一樣，DNA自我修復也會失誤。譬如，一個堿基丟失了，這個基因就相當于被敲除了。人們由此也可以借助這個過程實現基因的敲入、替換。
改寫生命代碼，私人定制育種，因此成為可能。
從“單點作戰”到“多路包抄”
以CRISPR-Cas9為代表的基因編輯技術，已廣泛應用于生物育種領域。但過去，一次通常只能編輯單個基因，最多也不過三四個。
“同時編輯多個基因，容易造成基因組不穩定?！闭撐牡谝蛔髡?、福建省農科院水稻研究所魏毅東博士說，根據基因的連鎖和交換定律，位于同一條染色體上的不同基因，如果距離太近，就很可能在遺傳時產生連鎖，不利于在后代中產生更多遺傳變異。
如果能夠實現多基因同時編輯，就能更進一步提高改良效率。福建省農科院水稻研究所的技術創新，解決的就是這個問題。
“我們選定了12個水稻功能基因，其中4個控制株型和穗型，7個控制穗期，1個控制香味；一部分為正向調控，另一部分為負向調控?！备＝ㄊ∞r科院水稻研究所所長、研究員張建福說，這12個基因分布在水稻不同的染色體上。也就是說，它們的遺傳距離很遠，不會產生連鎖，編輯后也不會對基因組的整體穩定性造成影響。
多基因同時編輯成為可能。隨后，科研人員抓緊組裝工具箱——構建一個載體，打包裝入“定位器”和“剪刀”兩個核心工具。在試驗過程中，他們選擇了自主選育的優質秈稻品種作為編輯對象。這個品種本就是水稻中的“優等生”，科研人員將工具箱導入它的愈傷組織。在12個“定位器”的導航下，基因“剪刀”迅速進入水稻細胞，抵達細胞核上的目標位置，一次性將12個基因敲除。到這里，生命“魔剪”的使命就完成了。
3至5個月后，經歷了基因編輯后的愈傷組織，重新分化長成了一株完整的幼苗。但這還不是我們最終需要的結果。這是因為，單個基因往往不是獨立發揮作用的，它們可能和其他基因相互協同、相互制約，這個過程被稱為基因互作。比如，水稻抽穗期提前了，可能就伴隨著產量降低，二者的關系猶如此起彼伏的蹺蹺板。
換句話說，12個基因同時被敲除，不一定是最好的結果。有些敲除、有些保留，才可能實現多方共贏。這樣的情形有多少種呢？答案是2的12次方——4096種?？蒲腥藛T要做的，是從4096個組合中，找出最優解。于是，他們將基因被編輯過的水稻植株，與未編輯過的品種雜交，再播種雜交種子。這些雜交后代有4096種基因組合?？蒲腥藛T觀察其田間表現，從中選出綜合實力最強、最需要的組合。這個工作量看起來十分龐大，但和傳統雜交育種過程動輒要從數萬個組合中挑選比起來，已經算事半功倍了。
通過這套以多基因編輯為基礎的快速定向改良的育種新技術，福建省農科院水稻研究所已經選育出多個早熟、株葉態好，兼具穩產、抗性、優質表現的育種材料，為后續精準選育突破性水稻新品種奠定了基礎。展望未來，以往只適合在華南稻區栽培的水稻品種，可能得以進入長江中下游稻區；只能作為單季稻生產的品種，可以作為雙季稻生產。
“基因編輯等現代生物育種技術廣泛應用的背后，是育種理念的創新與突破?！睆埥ǜＵf，傳統育種手段偏重田間選擇，工作量大，周期漫長，現代育種技術則把選擇提前到了實驗室階段?！拔覀儗鹘y育種技術與現代育種技術相結合，有效縮小選擇范圍，顯著提高育種效率?！?記者 張輝)