• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看

      ?

      基因編輯技術(shù)在農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源上的應(yīng)用

      2018-02-04 00:39:53韓紅兵謝卡斌曹罡田見暉王棟
      中國工程科學(xué) 2018年6期
      關(guān)鍵詞:產(chǎn)業(yè)化基因組基因

      韓紅兵 ,謝卡斌 ,曹罡 ,田見暉 ,王棟

      (1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué),北京 100193;2. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué),武漢 430070;3. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所,北京 100193)

      一、基因編輯技術(shù)簡介

      (一)技術(shù)概念

      基因編輯是對(duì)生物基因組的特定位點(diǎn)精準(zhǔn)操作,實(shí)現(xiàn)脫氧核糖核酸(DNA)片段定點(diǎn)刪除、插入或者單個(gè)堿基突變等的一項(xiàng)技術(shù)。技術(shù)包括兩個(gè)過程:一是精準(zhǔn)定位,在基因組上準(zhǔn)確找到特定DNA片段;二是利用工具酶執(zhí)行DNA編輯功能。當(dāng)工具酶使生物體細(xì)胞基因組DNA雙鏈斷裂后,可通過非同源末端連接(NHEJ)修復(fù),產(chǎn)生堿基插入或缺失,導(dǎo)致功能基因的失活;還可通過同源重組修復(fù)(HDR),達(dá)到DNA片段插入或堿基突變。以鋅指核酸內(nèi)切酶(ZFN)和類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶(TALEN)為代表的第二代基因編輯技術(shù),提高了基因編輯效率。2013年,以CRISPR/Cas9(clustered regulatory interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9)系統(tǒng)為標(biāo)志的第三代基因編輯技術(shù)取得了決定性突破,并因其操作簡便、成本低、效率高、多靶標(biāo)等特有優(yōu)勢,成功獲得抗藍(lán)耳病豬、無角奶牛,突破了常規(guī)育種瓶頸,成為基因編輯主流技術(shù)。伴隨著基因編輯技術(shù)的不斷改進(jìn)及其在動(dòng)植物上的廣泛應(yīng)用,未來農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)l(fā)生顛覆性變革。

      (二)技術(shù)特性

      CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)特性主要體現(xiàn)在:①操作簡單、成本低。利用Cas9蛋白的切割酶活性、sgRNA引導(dǎo)Cas9蛋白定位目標(biāo)位點(diǎn)的特性,僅構(gòu)建Cas9基因和sgRNA表達(dá)質(zhì)粒,即可完成基因編輯系統(tǒng)構(gòu)建。②編輯效率高。靶向切割DNA雙鏈效率達(dá)50%以上,最高達(dá)90%以上,介導(dǎo)的同源重組效率也達(dá)到40%以上,遠(yuǎn)高于先前的技術(shù)體系。③靶點(diǎn)覆蓋廣,靶向性高。以PAM(protospacer adjacent motifs)序列(即NGG)為識(shí)別序列,該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)基因組全部基因的編輯(人類基因組每8bp就存在一個(gè)PAM序列)。同時(shí),sgRNA種子序列(距PAM序列8~12堿基)應(yīng)與靶DNA完全配對(duì)的切割限制,進(jìn)一步增強(qiáng)了靶向性。④同時(shí)編輯的多個(gè)基因。Cas9蛋白能同時(shí)與多個(gè)不同sgRNA形成剪切復(fù)合物,實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)基因同時(shí)編輯。⑤通用性廣。無基因、細(xì)胞類型及物種限制,特別適用于對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的動(dòng)物、植物或微生物(病毒、細(xì)菌)的基因組改造。

      二、基因編輯技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

      (一)技術(shù)發(fā)展歷程

      20世紀(jì)80年代末期,馬里奧·卡佩奇研發(fā)了基因打靶技術(shù)[1],實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物細(xì)胞基因組的精準(zhǔn)編輯,具有里程碑意義。隨著研究的逐漸深入,推動(dòng)該技術(shù)不斷取得突破,并建立了多種技術(shù)體系。其中,ZFNs技術(shù)是最早的人工內(nèi)切核酸酶介導(dǎo)的基因組編輯技術(shù)[2],在玉米、小鼠、人、果蠅、斑馬魚、牛和豬等多種動(dòng)植物中成功應(yīng)用。該技術(shù)編輯效率較高,但系統(tǒng)構(gòu)建難度大、費(fèi)用高,限制其推廣和應(yīng)用。而同期的TALEN技術(shù)作為另一項(xiàng)基因編輯技術(shù),操作相對(duì)簡單,也可使特定靶DNA序列雙鏈斷裂,實(shí)現(xiàn)精確基因編輯[3],平均編輯效率達(dá)40%以上,在酵母、果蠅、斑馬魚、爪蟾、小鼠、大鼠、水稻、豬、牛、羊等多種生物上都有應(yīng)用。由第一代基因打靶到第二代ZFN和TALEN基因編輯技術(shù),編輯效率實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。2012年,美國科學(xué)家首次證實(shí),CRISPR/Cas9系統(tǒng)能夠靶向精確切割DNA片段,并實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物細(xì)胞基因組精準(zhǔn)編輯[4~6],標(biāo)志著基因組定點(diǎn)修飾技術(shù)的新突破。此后,CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)逐漸應(yīng)用于動(dòng)植物、微生物等領(lǐng)域,成為高效、簡便、通用的主流基因編輯技術(shù)。并通過突變型Cas9與胞嘧啶脫氨酶、尿嘧啶糖苷酶抑制蛋白及腺苷脫氨酶結(jié)合,發(fā)展了單堿基基因編輯技術(shù),實(shí)現(xiàn)了單個(gè)堿基轉(zhuǎn)換[7,8]。

      (二)基因編輯技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

      1. 突破了動(dòng)物遺傳改良與新品種培育瓶頸

      傳統(tǒng)動(dòng)物育種周期長,優(yōu)良性狀聚合難度大,改良目標(biāo)性狀不確定性大?;蚓庉嫾夹g(shù)不僅突破了傳統(tǒng)育種難以解決的遺傳障礙,而且能實(shí)現(xiàn)特定性狀的精準(zhǔn)改變,顛覆了已有動(dòng)物遺傳改良技術(shù)路徑和選育效率。世界各發(fā)達(dá)國家和新興經(jīng)濟(jì)體已將基因編輯技術(shù)作為優(yōu)先發(fā)展方向超前部署,以期搶占未來動(dòng)物育種制高點(diǎn)。

      (1)生產(chǎn)性能改良

      育種專家們發(fā)現(xiàn),肌肉生成抑制素(MSTN)是一種肌肉生長負(fù)調(diào)控因子,該基因自然突變的比利時(shí)藍(lán)牛和皮埃蒙特牛肌肉量豐富,比其他肉牛肉量多18%~20%。因此,針對(duì)動(dòng)物育種中產(chǎn)肉性狀改良進(jìn)展緩慢問題,通過基因編輯技術(shù),創(chuàng)制了MSTN基因功能缺失的豬、牛、羊,顯著提高了肌肉生長速度和廋肉率[9~11],并使其表現(xiàn)出了經(jīng)典的“雙肌臀”特征。另外,有角表型不利于飼養(yǎng)管理,而常規(guī)育種培育無角牛至少需要20年以上,并可能導(dǎo)致產(chǎn)奶量下降。為此,美國科學(xué)家基于對(duì)角型控制基因的研究成果,對(duì)荷斯坦奶?;蚪M的角型等位基因進(jìn)行編輯,將其替換成無角基因Pc,培育了無角奶牛[12],減少了動(dòng)物爭斗,提高了產(chǎn)奶性能。此外,對(duì)FGF5基因編輯,同樣也提高了羊毛產(chǎn)量,增加了羊毛細(xì)度。

      (2)產(chǎn)品品質(zhì)改善

      β-乳球蛋白是牛奶、羊奶中的固有蛋白成分,是引起嬰兒過敏的重要過敏原之一(嬰兒的消化系統(tǒng)尚未發(fā)育完全,β-乳球蛋白較容易“整顆”被吸收,而被免疫系統(tǒng)判斷為病原),傳統(tǒng)選育無法去掉該過敏原成分。2011年,我國首次通過基因編輯技術(shù),敲除了奶牛β-乳球蛋白基因,創(chuàng)制了奶中不含β-乳球蛋白的奶牛,可以生產(chǎn)適合嬰兒食用的奶制品[13],進(jìn)一步改善了乳品質(zhì)。該研究為奶山羊育種新材料創(chuàng)制指明了方向,通過對(duì)羊乳過敏原β-乳球蛋白基因進(jìn)行編輯,使對(duì)奶制品過敏的人群也可以盡情享受奶制品。

      (3)抗病性能提升

      動(dòng)物重大傳染性疾病不僅威脅人類健康,也給畜牧業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,這一直是育種專家和疫病專家無法解決、無法逾越的產(chǎn)業(yè)難題,基因編輯技術(shù)為該難題的解決提供了重要思路。以動(dòng)物傳染性海綿狀腦病為例,該病是一種由朊病毒蛋白(PRNP)基因引起的牛、羊和人共患中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病。我國學(xué)者利用基因編輯技術(shù)敲除了PRNP基因,獲得了抗瘋牛病牛和抗羊瘙癢病綿羊與山羊等育種新材料[14~16]。同樣,通過基因編輯將抗結(jié)核病的小鼠基因Ipr1導(dǎo)入奶?;蚪M,培育了抗結(jié)核病奶牛[17]。采用基因編輯技術(shù),美國科學(xué)家使豬藍(lán)耳?。≒RRS)病毒結(jié)合受體CD163基因功能缺失,獲得CD163基因編輯豬,該豬對(duì)PRRS具有完全抗性,化解了頭號(hào)烈性傳染病對(duì)豬養(yǎng)殖業(yè)的威脅[18,19]。

      2. 突破提高農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)改良及抗病抗逆性選育瓶頸

      (1)增產(chǎn)和品質(zhì)改善

      產(chǎn)量性狀是微效多基因性狀,傳統(tǒng)遺傳選育遺傳進(jìn)展已趨緩慢,然而,利用基因編輯技術(shù)分別敲除水稻產(chǎn)量負(fù)調(diào)控基因Gn1a、DEP1、GS3和IPA1,水稻每穗實(shí)粒數(shù)或粒密度、粒長都明顯增加,稻米產(chǎn)量大幅提高[20~22]。同樣,利用CRISPR/Cas9技術(shù)定點(diǎn)編輯小麥粒長和粒重負(fù)調(diào)控基因TaGASR7,也使小麥粒重顯著增加。直鏈淀粉含量影響水稻品質(zhì),采用CRISPR/Cas9技術(shù)靶向修飾直鏈淀粉合成酶基因OsWaxy,突變水稻直鏈淀粉含量由14.6%下降至2.6% [23],改善了稻米糯性品質(zhì)。利用CRISPR/Cas9技術(shù)敲除影響玉米賴氨酸含量的基因O2,顯著增加了O2突變玉米賴氨酸含量,對(duì) fl2、opaque7、opaque6、De-30等進(jìn)行基因編輯,不同程度地改變了胚乳的氨基酸組成,增加了賴氨酸含量[24]?;蚓庉嫾夹g(shù)已成為快速、定向改良作物產(chǎn)量與品質(zhì)的重要工具。

      (2)抗逆與抗病性能提升

      稻瘟病是危害水稻最嚴(yán)重的病害之一。靶向敲除負(fù)調(diào)控水稻的稻瘟病抗性基因OsERF922,獲得的T2純合突變系在苗期和分蘗期對(duì)稻瘟病菌的抗性顯著提高[25]。美國對(duì)Sweet14基因進(jìn)行編輯,獲得了抗白葉枯病的水稻[26]。我國首次對(duì)小麥MLO進(jìn)行基因編輯,獲得了對(duì)白粉病具有廣譜抗性的小麥材料。ARGOS8是一個(gè)乙烯響應(yīng)負(fù)調(diào)控因子,干旱脅迫過表達(dá)ARGOS8的玉米比野生型顯著增產(chǎn)。利用基因編輯技術(shù)使 ARGOS8表達(dá)量顯著增加,這些突變體在干旱環(huán)境下的產(chǎn)量比野生型玉米產(chǎn)量有顯著提升[27]。

      3. 突破了動(dòng)物疫苗研發(fā)與致病機(jī)制研究瓶頸

      我國利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)和Cre/Lox系統(tǒng)對(duì)偽狂犬病毒進(jìn)行基因編輯,構(gòu)建了第一個(gè)基因編輯候選疫苗。但是,該系統(tǒng)不適用于所有物種,尤其是結(jié)核分枝桿菌等病原微生物。而基于三型CRIPSR/Cas10系統(tǒng)的新型CRISPR/Cas基因編輯系統(tǒng),則可用于不同病原微生物基因組編輯,制備新的基因編輯疫苗(如偽狂犬病毒、非洲豬瘟病毒、結(jié)核分枝桿菌等)。此外,聚焦型或全基因組文庫CRISPRi篩選技術(shù)也被用于篩選人或小鼠病毒受體,以及動(dòng)物病毒受體基因,尋找與病毒復(fù)制相關(guān)的關(guān)鍵因子。如利用全基因組文庫CRISPRi篩選技術(shù)鑒定出了宿主識(shí)別細(xì)菌ADP-heptose的受體。

      三、基因編輯技術(shù)產(chǎn)業(yè)化前景

      (一)基因編輯技術(shù)產(chǎn)業(yè)化需求旺盛

      CRISPR/Cas9基因編輯作為一種革命性技術(shù),不但轟動(dòng)了學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界,也對(duì)資本產(chǎn)生了巨大吸引力。伴隨其向農(nóng)業(yè)育種等領(lǐng)域的逐漸滲透,先后取得了抗藍(lán)耳病豬、無角牛、磷高效玉米培育等一系列突破性進(jìn)展,并逐漸走向產(chǎn)業(yè)化。2014年,美國密蘇里大學(xué)通過基因編輯成功獲得完全抵抗藍(lán)耳病的CD163敲除豬。國際著名豬育種公司英國Genus PLC公司與美國密蘇里大學(xué)合作,共同開展抗藍(lán)耳病新品種豬的系統(tǒng)培育工作,并于2015年宣布,5年后將抗藍(lán)耳病新品種豬提供給豬肉生產(chǎn)商。目前,該公司已相繼拿到CD163基因、分子剪刀等知識(shí)產(chǎn)權(quán)許可,并培育出祖代抗藍(lán)耳病豬群體[28]。與動(dòng)物研究相比,植物基因組編輯產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用相對(duì)成熟,已經(jīng)開始商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用,早在2012年,美國政府就批準(zhǔn)了首個(gè)基因組定向修飾的磷高效玉米,可以作為常規(guī)品種直接進(jìn)行田間評(píng)價(jià)?;蚓庉嫾夹g(shù)在植物抗病、抗除草劑、提升品質(zhì)與產(chǎn)量方面的巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值,驅(qū)動(dòng)了拜耳公司、先正達(dá)公司、孟山都公司、杜邦-先鋒公司的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)步伐,新型基因組編輯技術(shù),創(chuàng)建新型基因編輯農(nóng)作物品種。

      (二)基因編輯技術(shù)產(chǎn)業(yè)化市場規(guī)模預(yù)測

      隨著技術(shù)研發(fā)的深入,基因編輯的技術(shù)優(yōu)勢不斷凸顯,并逐漸轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢,已經(jīng)在動(dòng)植物育種方面顯示了廣闊的前景。據(jù)美國Kalorama Information公司估計(jì),2025年基因編輯及其相關(guān)供應(yīng)市場規(guī)模有望突破50億美元。以我國為例,2017年生豬存欄40 350萬頭,肉牛存欄10 008.5萬頭,奶牛存欄1 376.6萬頭,肉羊存欄30 314萬頭,我國已成為名副其實(shí)的畜牧業(yè)大國。然而,隨著人口增加,對(duì)畜產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)的需求不斷增加,家畜存欄還將大幅增加,如以10%~20%的動(dòng)物個(gè)體由基因編輯動(dòng)物替代計(jì)算,我國的市場規(guī)模也相當(dāng)可觀。同樣,農(nóng)作物市場規(guī)模也很大,經(jīng)濟(jì)效益更為明顯。美國杜邦公司(DuPont)是最大的轉(zhuǎn)基因作物銷售公司之一,據(jù)其測算,首批基因編輯食物將會(huì)在5年內(nèi)被端上餐桌。

      四、基因編輯技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建議

      盡管基因編輯技術(shù)產(chǎn)業(yè)化與市場需求結(jié)合緊密,產(chǎn)業(yè)化前景誘人,但其產(chǎn)業(yè)化仍然受到一些瓶頸問題的制約:①CRISPR/Cas9系統(tǒng)自身技術(shù)問題。目前該技術(shù)基因編輯效率相對(duì)較低,且靶點(diǎn)特異性有待提高。②CRISPR/Cas9技術(shù)產(chǎn)業(yè)化中的技術(shù)壁壘問題。CRISPR/Cas9技術(shù)原始創(chuàng)新來源于美國科學(xué)家,知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬美國,該技術(shù)在農(nóng)業(yè)育種中的應(yīng)用,必將涉及知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題。需要深入開展相關(guān)基礎(chǔ)研究,研發(fā)新的基因編輯技術(shù),繞開專利侵權(quán)問題。③基因編輯技術(shù)產(chǎn)業(yè)化法律、法規(guī)問題。基因編輯技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,很大程度上取決于其對(duì)應(yīng)的法律、法規(guī)政策的完善與否。歐美在相關(guān)法律、法規(guī)立法方面走在世界前列,基因編輯技術(shù)與轉(zhuǎn)基因技術(shù)有本質(zhì)區(qū)別,我國應(yīng)針對(duì)基因編輯技術(shù)制定相關(guān)法規(guī),為基因編輯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供法律保障。因此,在基因編輯技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中,有必要協(xié)調(diào)好以下幾方面的工作。

      (一)謀劃布局科技項(xiàng)目

      加強(qiáng)科技計(jì)劃頂層設(shè)計(jì)和整體布局,面向基因編輯技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣問題,開展前沿性、原創(chuàng)性基礎(chǔ)應(yīng)用研究,面向未來20年我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求,規(guī)劃啟動(dòng)并實(shí)施一批農(nóng)業(yè)領(lǐng)域基因編輯科技項(xiàng)目。

      (二)著力推動(dòng)“產(chǎn)學(xué)研”一體化

      基因編輯屬于知識(shí)密集型技術(shù),產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需要“產(chǎn)學(xué)研”一體化模式。以農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目為載體,培養(yǎng)和凝聚一批能支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新的領(lǐng)軍人才、優(yōu)秀團(tuán)隊(duì),為基因編輯技術(shù)產(chǎn)業(yè)化提供智力支撐。鼓勵(lì)高校、科研機(jī)構(gòu)開展多種形式的農(nóng)業(yè)科技合作與科技成果轉(zhuǎn)化活動(dòng),加大企業(yè)、社會(huì)資本共同參與的風(fēng)險(xiǎn)投資,解決“產(chǎn)學(xué)研”聯(lián)合中的資金不足問題,切實(shí)推動(dòng)基因編輯技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

      (三)引導(dǎo)社會(huì)資金投入

      基因編輯作為高新技術(shù)必將推動(dòng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的革命性改變,帶來的經(jīng)濟(jì)效益不可估量。政府在增加對(duì)農(nóng)業(yè)基因編輯技術(shù)研發(fā)投入的同時(shí),應(yīng)制定各種優(yōu)惠政策,鼓勵(lì)引導(dǎo)社會(huì)資金投入,加快基因編輯技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化步伐。

      (四)建立與完善法律、法規(guī)

      基因編輯是一種新型的動(dòng)植物遺傳改良技術(shù),與轉(zhuǎn)基因育種有本質(zhì)區(qū)別,發(fā)達(dá)國家已經(jīng)建立了相應(yīng)配套的法律、法規(guī)。而我國尚未制定基因編輯的相關(guān)法規(guī),政府部門應(yīng)緊跟技術(shù)發(fā)展潮流,出臺(tái)關(guān)于農(nóng)業(yè)基因編輯產(chǎn)品的相關(guān)法規(guī)及實(shí)施細(xì)則,為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域基因編輯技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展鋪平道路。

      猜你喜歡
      產(chǎn)業(yè)化基因組基因
      Frog whisperer
      非織造材料產(chǎn)業(yè)化新進(jìn)展
      牛參考基因組中發(fā)現(xiàn)被忽視基因
      修改基因吉兇未卜
      奧秘(2019年8期)2019-08-28 01:47:05
      觀賞石產(chǎn)業(yè)化和金融化初探(一)
      寶藏(2018年12期)2019-01-29 01:51:34
      富硒有機(jī)緩釋肥產(chǎn)業(yè)化邁出大步
      創(chuàng)新基因讓招行贏在未來
      商周刊(2017年7期)2017-08-22 03:36:21
      系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化之路
      基因
      基因組DNA甲基化及組蛋白甲基化
      遺傳(2014年3期)2014-02-28 20:58:49
      梁河县| 焦作市| 松江区| 晴隆县| 南部县| 庆元县| 福州市| 枣强县| 鲁山县| 清丰县| 册亨县| 莱芜市| 特克斯县| 伊春市| 手机| 洪洞县| 通河县| 仪陇县| 同江市| 永宁县| 新乐市| 壶关县| 板桥市| 乐至县| 衡阳县| 合江县| 新余市| 韶山市| 金昌市| 兴山县| 舞阳县| 余江县| 浦东新区| 胶南市| 克东县| 金昌市| 博客| 呼和浩特市| 海盐县| 来宾市| 义乌市|