編譯 毛毛熊

人們花費了數(shù)千年的時間將豌豆大小的水果培育成美麗的牛排番茄?，F(xiàn)在，通過基因編輯技術(shù)，科學家可以改變我們的世界。

扎克·李普曼（Zachary Lippman）身材消瘦，留著濃密的頭發(fā)和胡須。他站在位于美國長島中部的一個溫室內(nèi)，周圍生長著繁茂的農(nóng)作物。雖然已經(jīng)4月中旬，仍有可能下雪，他不得不考慮將溫室中精心培育的西紅柿植株遷移到其他地方。

李普曼在美國康乃狄格州長大。他最早關(guān)于種植的記憶是在他6至7歲的時候，和父親一起去參觀附近的一個農(nóng)場。當李普曼13歲時，在這里度過了整個夏天，這大大培養(yǎng)了他對植物的興趣。當1996年從高中畢業(yè)時，李普曼決定進入植物育種和遺傳學領(lǐng)域，先是在康奈爾大學，而后轉(zhuǎn)至冷泉港實驗室，并在那里獲得了博士學位，如今他在霍華德·休斯醫(yī)學研究所任研究員。

李普曼帶我穿過了溫室內(nèi)數(shù)百株西紅柿植株。有一部分幼苗剛剛萌芽，其他植株就開始綻放黃色的花朵了。還有一些植株，由于紅色番茄剛剛開始成熟，這些番茄都壓彎了整個植株。

是什么原因使得這個溫室與眾不同？是什么原因使得這里成為植物生物學革命的中心？在這座溫室里，超過90%的西紅柿植株都通過CRISPR/Cas-9基因編輯工具進行了改良。李普曼和他在紐約的長期合作者——喬伊絲·范?？耍↗oyce Van Eck）是一部分研究人員的縮影：使用基因編輯工具將番茄改造為植物學研究的模型。

看著壓彎的植株，李普曼解釋說，這是一種被人們稱為“無關(guān)節(jié)”的突變品種。大多數(shù)的番茄品種在其莖上都有一個膨脹的結(jié)構(gòu)。當番茄成熟時，膨脹組織中的細胞會收到凋亡信號，逐漸彎曲放下番茄。這個過程本是大自然傳播番茄種子的正常方式，但是這個膨脹結(jié)構(gòu)不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因為它留下殘留的莖，會導致機械收割時，西紅柿被戳壞?；蚓庉嫼蟮姆阎仓昕杀苊饬诉@個負面問題。

我們還參觀了一些可以食用、酸漿屬的一些品種（地櫻桃的近親），但還沒有大規(guī)模種植。野生型的品種，高大，枝條蓬亂，并且每個植株掛果數(shù)量極少。而經(jīng)過科學家“馴化”，植株只有野生型一半大小，枝條也沒有野生型那么濃密，但每個枝條上可結(jié)6個漿果。

李普曼摘下一個漿果，遞給了我。我輕輕地咬了一口，一股濃郁的香味立刻在我嘴里散開，混合了甜和酸的味道，這種感覺漸漸消失后，鼻子能夠聞到一股漿果揮發(fā)出的香味，久久不散去。

基因編輯開始應(yīng)用到農(nóng)作物上

一直到20世紀30年代，農(nóng)業(yè)科學家對番茄使用的培育技術(shù)基本上與中美洲農(nóng)民完全相同：耐心地等待植株在自然條件下產(chǎn)生有用的突變，仔細挑選出有用的植株（例如，擁有更大果實的植株），再對這種新品種進行擴大繁殖。換句話說，農(nóng)業(yè)發(fā)展一直是通過非自然選擇的方式發(fā)展下去，即人們挑選植物特定突變，同時拋棄其他突變。第二次世界大戰(zhàn)期間，生物學家使用化學物質(zhì)、X射線和其他形式的輻射來誘導種子發(fā)生隨機突變加速了這一過程。但是即便如此，這個過程也異常緩慢。通過選擇性培育獲得理想表型植株可能需要10年或者更長的時間。

這一切在2012年發(fā)生了徹底改變。2012年5月，植物遺傳學家完成了番茄基因測序工作，在12條染色體上一共有9億個堿基對。同年6月，由加州大學伯克利分校的詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）領(lǐng)導的一個研究團隊發(fā)布了關(guān)于CRISPR基因編輯技術(shù)的第一份報告，隨后麻省理工學院博德研究所和哈佛大學也共同發(fā)布了一份類似的報告。隨著這兩項研究成果的發(fā)布，研究人員就想在番茄上試試這一新技術(shù)。

李普曼考慮：“我們可以在番茄中使用這項技術(shù)嗎？如果可以的話，讓我們行動起來吧?！笨焖傩袆右馕吨诜鸦蛑虚_展實驗，以證明CRISPR可以在番茄中發(fā)揮作用。李普曼和范?？擞媱澑脑斓哪繕嘶蚴鞘裁茨?？

當時還沒有發(fā)現(xiàn)哪個基因可以影響水果的大小或形狀。如果針對這個進行研究需要花費太多的時間，而范?？藳]有足夠的耐心?！拔也幌氚阉旁跍厥抑信嘤俚却L大，”她告訴李普曼，“我希望能夠在培養(yǎng)皿中就能看到一些變化。”因此，他們選擇了一種經(jīng)濟意義不大，且對消費者無吸引力的基因進行改造嘗試。這是一個奇怪的基因，當它發(fā)生突變時，能夠長出一種變形的針狀番茄葉。突變后的版本被稱為“纖維突變”。

這個被稱為“纖維”的基因突變晦澀難懂，以至于范?？瞬坏貌徊樵?928年的一篇論文，因為這篇論文第一次描述了她在努力尋找的基因突變。每一個由CRISPR技術(shù)編輯的基因突變都需要一個定制的基因編輯工具，這個被稱為“構(gòu)建體”的向?qū)NA，可將CRISPR引導至番茄正確的基因位點，接下來酶會在這個基因位點使用特定工具精準地切割植物的DNA。范埃克在這個案例中使用了一種擅長感染植物的細菌，它攜帶有CRISPR突變工具進入番茄細胞。編輯完成后，范埃克的團隊成員將這些細胞涂布在培養(yǎng)皿上，讓它們在那里發(fā)育成小植株。在突變后的番茄細胞形成幼苗和展開葉子之前，范?？巳匀恍枰却蠹s兩個月的時間，但這一切她認為值得。當看到第一片葉子的時候，范埃克大聲喊道：“我的天哪，這項技術(shù)有效！”甚至忍不住跑到學院的走廊去告訴那些愿意傾聽的人。

通過這個案例，他們不僅證明了CRISPR技術(shù)能夠在水果作物中產(chǎn)生遺傳性狀的變化，而且僅用了兩個月（而傳統(tǒng)處理要1年）。理論上而言，他們知道可以通過基因編輯技術(shù)既準確又快速地實現(xiàn)其他農(nóng)作物的改造。

在驗證基因編輯技術(shù)可行后，李普曼和范?？司烷_始使用這項技術(shù)改造那些過去15年內(nèi)他們一直想改造的番茄植株的性狀。

比如，近60年來，研究人員一直在努力解決番茄植株莖上的關(guān)節(jié)問題，但當下許多“無關(guān)節(jié)”番茄植株又存在其他問題，即在生長過程中生出過多的分枝且產(chǎn)量較低。李普曼發(fā)現(xiàn)，這主要是因為無關(guān)節(jié)突變基因和另一種古老基因之間存在復雜的相互作用導致。傳統(tǒng)的育種過程還會產(chǎn)生另外一種副作用，生成果實性狀異常的番茄，這是因為無關(guān)節(jié)性狀的突變過程中伴隨產(chǎn)生了一大堆不必要的DNA突變，這種現(xiàn)象被稱為連鎖累贅現(xiàn)象。

扎克·李普曼在冷泉港番茄種植農(nóng)場中，這株番茄經(jīng)過基因編輯能產(chǎn)出更多的果實

在冷泉港的一塊試驗田中種植8000株基因編輯后的農(nóng)作物

一株經(jīng)過基因編輯的番茄植株

喬伊絲·范?？嗽谝粋€生長在培養(yǎng)皿上的小番茄植株上看到了卷曲的葉子，她知道CRISPR技術(shù)在番茄中獲得成功

如果李普曼能夠使用CRISPR技術(shù)獲得無關(guān)節(jié)突變株，同時這個突變株不攜帶傳統(tǒng)育種產(chǎn)生的無意義突變，這將會為種植者帶來明顯的益處。2016年3月，李普曼在溫室中培育無關(guān)節(jié)突變番茄獲得了成功，并于2017年春季在《細胞》雜志上發(fā)表了這項工作。李普曼在佛羅里達大學與哈利·克利（Harry Klee）分享了這個基因編輯工具。2017年3月，克利和他的研究團隊在一個試驗田中種植了一種經(jīng)過基因編輯的無關(guān)節(jié)突變番茄，這種突變番茄品種被稱為“佛羅里達8059”。

農(nóng)作物篩選的多種方式

盡管有關(guān)基因編輯革命的炒作此起彼伏，但是在過去幾年中科學家越來越發(fā)現(xiàn)其局限性。科學家會告訴你，CRISPR技術(shù)非常擅長“敲除”一個基因，但是正如許多流行的報道所暗示的那樣，用它來插入一個新的基因，重新改寫人類、牲畜或植物的種系卻并非易事。

農(nóng)作物基因編輯的先驅(qū)之一，明尼蘇達州立大學的丹·沃伊塔斯（Dan Voytas）評價說：“CRISPR技術(shù)并不是第一項也不會是最后一項基因編輯技術(shù)?！贝送猓词乖谥参镏?，基因組的相互作用也非常復雜。這些相互作用就像立體聲控制臺上的十幾個旋鈕共同工作進而塑造一首歌的整體音效一樣，即多個基因元素可以控制單個基因的表達效果。

這種令人生畏的復雜性大大激發(fā)了李普曼的實驗團隊在基因編輯方面進一步探索的熱情，他們瞄準了調(diào)節(jié)DNA表達的啟動子。

李普曼說道，科學家通過使用CRISPR技術(shù)調(diào)控控制DNA表達的啟動子，實現(xiàn)像調(diào)節(jié)燈光開關(guān)那樣調(diào)整DNA的表達量，從而可以篩選出比自然選擇“更好”的種系。李普曼致力于在不犧牲農(nóng)作物口感或形狀等基本特征的前提下改善農(nóng)作物的其他表征。

“現(xiàn)在我們可以開始考慮種植一些遴選出來的、更好的番茄品種，如果它們在很短時間內(nèi)到達花期，你就可以在緯度更高的地方來種植這些番茄，這是因為那里的夏季更短?！彼f道。正如李普曼所說的那樣，因為每種植物基因都有自己的啟動子，這種遺傳“調(diào)整”方式幾乎適用于任何一種蔬菜作物。

“調(diào)整”基因表達只是生物學家們改造番茄的眾多方式之一。2017年，位于英國塞恩斯伯里實驗室的研究人員通過基因編輯技術(shù)改良的番茄品種可以抵御白粉病；日本的一個研究小組通過基因編輯技術(shù)獲得一種沒有種子的西紅柿。

還有研究人員致力于“從頭馴化”研究。他們研究的重點不是去改良馴化后的番茄品種，而是回到原點，在一種野生番茄品種上使用CRISPR技術(shù)敲除一些基因。例如，在野生植物蔓延和雜草叢生的環(huán)境中生長的野外番茄，經(jīng)過基因編輯后，植株長勢緊湊而且濃密；野生型植株的果實只有豌豆大小，基因編輯后的番茄植株所結(jié)果實相當豐滿，如櫻桃般大小。經(jīng)過改良的品種與任何其他已知的品種相比，其果實中還含有更多的番茄紅素（這是一種非常重要的抗氧化劑），而且口感很好。

“從頭馴化”的方式之所以如此有趣，在于它利用了野生型植株積累下來的全部“智慧”。經(jīng)過數(shù)萬年的進化，野生植物獲得了一系列的抗逆性特征，包括抵御疾病和環(huán)境壓力等。在這些野生品種上，研究人員利用CRISPR技術(shù)或者任何其他類似的技術(shù)實現(xiàn)物種馴化，那么就有可能在未來氣候大幅度波動的情況下，仍然保證糧食生產(chǎn)。

而李普曼和范埃克正在使用類似的方法嘗試馴化野生櫻桃，他們期望野生櫻桃最終能和藍莓、草莓一樣成為家常的漿果作物。

所有這些植物學研究方法，包括基因敲除、調(diào)整基因啟動子的輸出量、從頭馴化等都非常有創(chuàng)意而且發(fā)展速度極快。但產(chǎn)品最終要投向市場，消費者愿意吃掉這些西紅柿嗎？正如許多環(huán)保組織所質(zhì)疑的那樣，經(jīng)過CRISPR技術(shù)改造的蔬菜和谷物是否只是一種“新型轉(zhuǎn)基因生物”，還是只是農(nóng)作物加速了自我突變而已？李普曼評價說：“這只是新討論的冰山一角。”

“基因編輯后的番茄味道怎么樣？”當我問了克利他是否品嘗過自己正在種植的8059西紅柿時，他笑了一下說自己感覺味道一般：“實際上，佛羅里達8059這個品種本身味道上并沒有特別之處。而且，番茄的味道只是市場評判的第二位因素。舉個例子，在佛羅里達州大部分種植的西紅柿最終都賣給了食品服務(wù)行業(yè)，比如麥當勞和賽百味，”克利有些無奈地說，“這個行業(yè)并不追求西紅柿的口感?！彼I(lǐng)導的一個研究小組已經(jīng)確定了大約20幾個與特殊番茄風味相關(guān)的遺傳區(qū)域?！拔覀兊拇_知道如何給你提供一種味道更好的番茄，比如更甜的，”他說道，“但是這些味道更好的番茄并不吸引種植者，因為不具有市場經(jīng)濟吸引力，所以種植者不會接受這些品種?！?/p>

但克利表示：“非?？释麑⒒蚓庉嫾夹g(shù)引入自家的后花園，”他判定，“像我這樣的園丁可能會認為基因編輯后的西紅柿并非轉(zhuǎn)基因生物?！彼D(zhuǎn)而問我：“如果我能夠給你一個含有更高番茄紅素，擁有更長保質(zhì)期，并且擁有更加緊湊植株的品種，你會選嗎？”“絕對會！”我告訴他，“而且，我認為大多數(shù)人都會種植這個品種！”

當我向沃伊塔斯詢問基因編輯后的品種時，他笑了笑，提醒我：“即使你的番茄品種很好吃，但永遠不會在經(jīng)濟上有利可圖，因而根本無法支付巨額的許可費?！?/p>

基因編輯使用存在爭議，產(chǎn)業(yè)格局還未穩(wěn)定

像大多數(shù)科學家一樣，李普曼認為轉(zhuǎn)基因食物使用安全，但是他也微笑著承認并非每位科學家都認為這項技術(shù)是安全無害的。人們對基因修飾后的農(nóng)作物有很多誤解。轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物，例如，玉米和大豆已經(jīng)在食品加工業(yè)、動物飼料加工和生物燃料中使用多年，但是長期以來，爭議一直存在。

CRISPR所帶來的變革并非重啟了這場爭辯，而是給這場爭辯帶來了徹底變化。迄今為止基因編輯的大多數(shù)農(nóng)作物都是通過敲除某個基因（即引起基因突變）而不是引入不相關(guān)的物種基因而獲得的。正因為如此，科學家堅持認為這種方式實際上只是模擬了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)育種過程。這種說法雖然并不能夠平息批評者的憤怒，但它顯然已經(jīng)說服了美國聯(lián)邦監(jiān)管機構(gòu)。2017年3月，美國農(nóng)業(yè)部宣布，經(jīng)過基因編輯技術(shù)導致突變的農(nóng)作物與傳統(tǒng)育種產(chǎn)生的農(nóng)作物并無差別，不需要額外的監(jiān)管。 經(jīng)過基因編輯的大豆和馬鈴薯已經(jīng)被大量種植在農(nóng)場中。

大量關(guān)于食物的問題困擾著人類社會，例如，未來如何養(yǎng)活90億人口？如何在氣候變化不確定的環(huán)境下進行農(nóng)業(yè)耕種？如何為警惕新技術(shù)的公眾創(chuàng)造更可口、更有營養(yǎng)價值的食物？

植物學家已經(jīng)在以創(chuàng)造性的方式使用CRISPR和其他相關(guān)技術(shù)重新塑造糧食作物：改造小麥以減少谷蛋白，改造大豆以生產(chǎn)更健康的油，改造玉米以提高產(chǎn)量，改造馬鈴薯以便于更好地儲存。就在科學家致力于用基因編輯工具研究農(nóng)產(chǎn)品時，恰逢美國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)界格局調(diào)整。目前已經(jīng)整合為三大集團鼎立的局面。這些公司擁有雄厚的資金，未來他們會將這項技術(shù)用在哪個方面？

在20世紀90年代，孟山都引入市場的第一代轉(zhuǎn)基因作物都是以“轉(zhuǎn)基因”方式實現(xiàn)的，這意味著生物學家利用基因工程技術(shù)將來自不相關(guān)物種的外源DNA引入到植物體內(nèi)。而基因編輯技術(shù)則更像是傳統(tǒng)的基因誘導突變，例如輻射和化學物質(zhì)誘導突變。CRISPR技術(shù)是針對特定基因進行改良而不是創(chuàng)造隨機的突變，這就是為什么植物科學家迫切渴望使用這項技術(shù)，這也是美國農(nóng)業(yè)部認為基因編輯技術(shù)導致的基因敲除與早期的誘導突變類似，因此不需要對這項技術(shù)進行特別的監(jiān)管。一些歐洲國家已經(jīng)明令禁止第一代轉(zhuǎn)基因生物，歐盟尚未對基因編輯后的農(nóng)作物做出最終判斷。

李普曼行走在番茄溫室外：“是的，我已經(jīng)吃掉了很多經(jīng)過基因編輯的番茄?！?/p>

在伊薩卡的博伊斯·湯普森研究所中培育的酸漿果植株

雖然多項研究未能夠證明轉(zhuǎn)基因生物會對人類健康構(gòu)成威脅，但是公眾的疑慮依然存在。皮尤研究中心（美國一家獨立性民調(diào)機構(gòu)）在2016年的一項調(diào)查中顯示，39%的美國人認為食用轉(zhuǎn)基因食物會造成健康上的損害。李普曼也承認，在他的家中，他的妻子最初不喜歡吃基因編輯后的番茄。

當然還有其他的原因會導致公眾對轉(zhuǎn)基因食物疑慮重重。孟山都早期使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，并不是為了創(chuàng)造更加健康或更環(huán)保的食品，而是使大豆和玉米對公司專有的除草劑“農(nóng)達”產(chǎn)生抗性。該公司從自利的角度積極推廣第一代轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品被認為是一場公關(guān)災(zāi)難。

大型農(nóng)企目前正在利用基因編輯技術(shù)的優(yōu)勢重新定位自己。最近一系列的合并已經(jīng)在全球農(nóng)業(yè)中形成了三家大型跨國公司：拜爾（2018年完成了對孟山都的收購），陶氏杜邦（杜邦早前與陶氏化學公司合并），以及先正達（2017年被中國化工所收購）。未來這些大公司面臨的知識產(chǎn)權(quán)問題可能比植物遺傳學碰到的問題更加復雜。

博德研究所和杜邦先鋒公司都持有適用于農(nóng)業(yè)的基本CRISPR專利技術(shù)，兩家實體于2017年秋天展開合作，共同協(xié)商該專利的農(nóng)業(yè)應(yīng)用許可證（三家大型農(nóng)企都已經(jīng)獲得該技術(shù)許可）。據(jù)悉，CRISPR技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)商業(yè)化需要預付費、每年的銷售特許權(quán)使用費和其他一些條件。

這就是基因編輯技術(shù)與殘酷的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟學相互抗衡的地方。進行學術(shù)研究的科學家可以在不支付許可費的情況下開展與CRISPR技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)研究。但就目前而言，“我還無法利用這項技術(shù)開發(fā)產(chǎn)品并銷售這個產(chǎn)品，”李普曼說道，“商業(yè)開發(fā)需要支付許可費，這些費用由資金雄厚的大型農(nóng)業(yè)公司來承擔方才可行。”

當然，其中一些較小的生物技術(shù)公司試圖繞開大型生物公司和知識產(chǎn)權(quán)的障礙繼續(xù)生存下去。Calyxt位于明尼蘇達州，是一家由沃伊塔斯創(chuàng)辦的公司，目前已經(jīng)獲得了美國農(nóng)業(yè)部批準使用早期和更加難以使用的基因編輯技術(shù)TALENs來開發(fā)種植農(nóng)作物的許可。

總部位于圣路易斯的Benson Hill Biosystems公司一直致力于使用一套擁有專利的新型基因編輯技術(shù)來提高生產(chǎn)率（該技術(shù)被稱為CRISPR 3.0）。但公司的首席執(zhí)行官馬修·克里斯普（Matthew Crisp，是的，這就是他的名字）聲稱創(chuàng)新正在被一種“模棱兩可”的知識產(chǎn)權(quán)格局所扼殺。他表示，Benson Hill的合作伙伴和潛在的專利持有者抱怨，CRISPR基因編輯技術(shù)的商業(yè)化太昂貴、太麻煩，同時又有太多的不確定性。新的基因編輯酶和其他創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)現(xiàn)可能使得專利領(lǐng)域的事態(tài)變得更加復雜化。正如一位消息人士所說：“這個領(lǐng)域一團亂麻，新的技術(shù)會使其變得更糟?！?/p>

經(jīng)過基因修飾的大豆、土豆和玉米已經(jīng)悄悄融入了人類的食物鏈，而基因編輯的番茄使爭論更加激烈了。從某種意義上說，這次技術(shù)上的變革是近一個世紀以來最新、最成功的一次：既滿足了農(nóng)產(chǎn)品種植者更低成本、更大產(chǎn)量的愿望，同時也滿足了消費者對既美味又營養(yǎng)的需求。但一部分人對于這項技術(shù)冷嘲熱諷，一部分人對于這項技術(shù)抱有希望。

資料來源 Wired

本文作者斯蒂芬·霍爾（Stephen S.Hall）從事科學報道和寫作已經(jīng)將近30年，作為《紐約時報》編審和特約編輯，多次為該報撰寫封面故事，他的文章還多次出現(xiàn)在《紐約客》《大西洋月報》《國家地理》《科學美國人》等雜志上。