CRISPR基因编辑技术可以帮助减少全球生物多样性的丧失?
这是一个惊人的生物多样性年世界的前景。政府间生物多样性和生态系统服务科学政策平台(IPBES)给注意到世界大约100万物种正面临灭绝(PDF)。8月公布的一项研究得出的结论是,需要新西兰5000万年恢复鸟类的多样性,它已经失去了自人类殖民。虽然对一个标题昆虫启示录可能是双曲线,昆虫生物多样性减少,这是一个问题。
IPBES报告就是明证,电流保护工作没有足以遏制生物多样性的丧失,所以创新的解决方案可能需要支持支持人类生存的生命之网。2012年,科学家首次描述了CRISPR基因编辑功能分子工具,可以用来制作有针对性的,精确的DNA改变植物、动物和微生物。
从那时起,科学家提出了无数的方法来使用这项技术。但是它可以促进生物多样性?它能帮助研究人员了解和保护珊瑚和他们的生态系统吗?如何应用多元化农业支撑粮食安全吗?或对抗入侵物种困扰全球生态系统?
虽然许多科学家们渴望讨论使用CRISPR保存生物多样性的可能性,但他们也很谨慎。人类干预并不总是可以预测的影响,一旦gene-edited物种放归野外,控制任何负面影响将会很困难。研究科学家托尼·比亚乔,美国农业部(USDA)国家野生动物研究中心,研究人员说应该“从未完全喝果汁冲剂”CRISPR时。相反,她说,他们应该“花大量的研究时间和知识能量”质疑他们自己和他们的工作。
提出正确的问题正确的利益相关者,包括社区会影响基因的应用编辑——可能有助于避免意想不到的后果,所以常常伴随人类解决生态系统的挑战。虽然许多科学家们渴望讨论使用CRISPR保存生物多样性的可能性,但他们也很谨慎。
多样性对食品安全
大约12000年前,古代人们开始种植许多植物的野生祖先今天我们吃。随着时间的推移,他们选择的种子植物进化的有用的特征在未来几年,工厂。因此,墨西哥蜀黍植物5到12内核在坚硬如岩石的外壳导致了玉米,和小红莓野生西红柿导致了今天的西红柿。这个作物驯化的过程对人类是一个转折点。它允许我们进入社区和建立社会。
但随着几千年过去了,驯化也减少了遗传多样性在我们种植和食用植物。要理解为什么,想象一个古老的人类10000年前,厌倦了用石块砸墨西哥类蜀黍让几个微不足道的内核的坚硬的外壳。如果那个人看见一个植物,赤裸裸的内核——暴露和可用吃没有岩石粉碎——他们可能会选择植物的种子生长第二年。人,效果很好,但其他领域的遗传多样性丢失未来几代人。
今天同样的力量在起作用。例如,当每个番茄看起来一样,以同样的速度增长,产生磅磅的西红柿,农业和食品供应更加容易预测的——如果一切都像往常一样。
问题是,农业并不总是按照往常一样,期望模式。农业和气候变化是增加可变性和不可预测性。许多作物,由于其较低的遗传多样性,并不是特别适合应对新兴气候模式,使他们容易受到挑战,如干旱、洪水或盐化土壤。所以,拉萨罗佩雷斯说,植物生理学教授圣保罗大学依靠有限的作物物种世界粮食生产是有风险的。
佩雷斯和其他研究人员正试图注入农业和野生物种的遗传多样性。与野生番茄和他的研究小组开始使用CRISPR编辑少数关键基因。它的目标是使版本的基因在野生番茄看起来像番茄驯化的版本的基因。在这一过程中,野生番茄品种获得了一些常见的驯化物种有益的特征。通过这个过程,新创驯化,佩雷斯和他的同事们得到了一个西红柿,水果,大比野生西红柿和水果和更多的番茄红素基因的多样化与传统驯化的西红柿。
他们说,这种多样性可能意味着农民应对各种气候压力获得驯养的番茄品种,适合他们所面临的独特挑战。植物的大小或颜色的改变会影响这是吸引昆虫吗?如何影响这些昆虫的天敌?
但是,不仅仅只是一个单一的农作物的生态系统存在很重要,尤兰达说,副教授大学农业与生命科学学院的佛蒙特州。陈研究植物驯化对昆虫种群的影响。她说,研究人员需要考虑基因”操作在一个更广泛的社区环境”,而不仅仅是在一个单一的植物。植物的大小或颜色的改变会影响这是吸引昆虫吗?如何影响这些昆虫的天敌?
佩雷斯是考虑到对农业生态系统的潜在影响。驯养野生番茄和增长的规模可能会影响微妙的生态关系。不过,他说,他认为主要是积极的事情”的潜在影响他的工作。“的一件事是食品安全,因为它是非常危险的依赖很少物种为我们的食物、饲料和纤维。”
陈表示,她认为基因编辑新创驯化是“低风险”比其他基因的方法,比如那些介绍全新的基因导入植物物种。在新创驯化,基因的编辑版本已经存在相关驯化的番茄植物。
它可能会是一段时间的新物种番茄发展增加遗传多样性的食物可以在当地的杂货店。佩雷斯说,他和他的团队的工作发表了迄今为止是一个概念证明;换句话说,他们显示新创驯化是可行的,但还没有商业化,番茄的计划。以来他们已经将注意力转向一种野生番茄从加拉帕戈斯群岛,尤在盐化土壤生长,对白色的苍蝇,可引起严重的作物损害。如果他们能够新创驯养这西红柿,它可以作为一个重要的作物对农民处理咸,沿海的土壤。
最后,陈和佩雷斯都关心气候变化,农业和生物多样性。他们从不同的研究角度的方法解决这些问题,但看到基因和物种多样性——水平——在农业生态系统作为食品体系的一个重要方面,可以抵御气候变化的挑战。在未来,驯养新植物物种——可能与基因编辑可能会给农民更多的选择种植不同作物适合特定的气候。
珊瑚保护
1770年,英国探险家詹姆斯·库克船长跑他的船,努力,搁浅在“疯狂的迷宫”,被称为昆士兰海岸的大堡礁,澳大利亚。当厨师,被誉为“发现”珊瑚礁,珊瑚礁很重要原住民几个世纪之前。
几百年后,导致了巨大的污染和气候变暖水珊瑚白化世界各地的事件。珊瑚可以漂白时,压力会导致死亡率增加。这是坏消息栖息在珊瑚海洋物种。当珊瑚丢失,珊瑚礁生态系统遭受,之间的关系成千上万的物种——包括鱼、无脊椎动物、植物和海龟——住在那里失去平衡。
漂白发生在珊瑚和藻类之间的共生关系他们生活变得紧张——例如,在温暖的水域。由于压力,珊瑚驱逐藻类,导致珊瑚漂白。漂白事件开始增加的频率和大小在1980年代。在2014年至2017年之间,沉淀主要海洋温度高全球珊瑚白化事件。
电流保护工作对世界的珊瑚已经不足以遏制漂白作用和维持宝贵的珊瑚生态系统支持,根据IPBES报告。所以有一定的紧迫性找到保护的新方法。一个2019年的报告,生物学家制定了不同的保护方法和评估潜在的风险和好处。科学家们使用,与2018年的声明CRISPR编辑珊瑚的基因,基因编辑被视为一个潜在的战略。也许吧。
保护科学家,比亚乔说,“就像担心技术我见过任何人,或者来谈论它。”Scientists using gene editing on corals are no exception. In fact, they are quite clear: They are not using gene editing to make heat-resistant corals to populate the ocean. Their intent is to use CRISPR to understand, in a laboratory setting, which coral genes are important for handling stress in the environment and use that information to help other coral conservation efforts.电流保护工作对世界的珊瑚已经不足以遏制珊瑚漂白作用和维持有价值的生态系统的支持。
玛丽斯特拉瓦迪演奏,现在奥本大学研究助理教授,首席研究员作为研究生是一个国际科学家小组的生产工作。科学家们编辑三种类型的基因充满活力的珊瑚叫鹿角。编辑的目的是“打破”或变异基因,而且在某些幼虫,它叫的。
这个概念验证研究是成功的——这意味着他们可以编辑珊瑚的基因目标至少某些时候——其他研究人员可以使用他们的方法编辑其他基因蓝图鹿角和编辑其他珊瑚物种。首先,副说,他们可能会看珊瑚生命周期和温度敏感的基因。副说,了解这些过程可以转化为保护工作。”
例如,研究人员在实验室中可以使用CRISPR帮助他们了解哪些基因对宽容温暖水域很重要。如果他们编辑一个基因在实验室和由此产生的珊瑚可以更好地容忍温暖的水域,根据副,科学家们可以看自然珊瑚种群自然对那些基因突变。带着理解,研究人员可能会更成功地饲养珊瑚等保护工作帮助他们保持冷静热出现。
为什么科学家不想填充海洋与耐热,CRISPRed珊瑚吗?如果他们编辑一个基因和由此产生的珊瑚可以更好地容忍温暖的水域,科学家们可以看自然珊瑚种群自然对那些基因突变。
首先,仍然有大量的技术障碍。在斯特拉瓦迪演奏的作品,个人编辑珊瑚了编辑和未经编辑的基因副本。实现全面影响的基因编辑和传递到后代,每个单元的珊瑚理想情况下应该有相同的编辑。和其他的细节,比如确保CRISPR编辑只有目标基因或基因,”前需要制定保护的目的,这将是一个可行的选择“副说。
此外,约翰·布鲁诺说,海洋生态学家在北卡罗莱纳大学教堂山分校,保护工作不仅需要保护珊瑚也依靠他们的成千上万的其他物种。根据布鲁诺,基因编辑10或20种珊瑚容忍温水是不够的。“没有人会CRISPR十亿的物种都是海洋,”他说,保护需要关注整个生态系统,而不仅仅是几个物种。“解决方案是相当明显的,只是从根本上减少温室气体排放,”他说,承认不是一件简单的事情。
运行的干扰
珊瑚的情况是“可怕的”,根据布鲁诺。但即使在珊瑚物种急剧下降,通常还很多——潜在的数以百万计的人离开了,他说。
回到岸上,一些动物种群规模小得多,容易溜走的拇指下存在入侵物种。在新西兰,本地鸟类进化没有哺乳动物的捕食者。许多人不会飞的,所以当哺乳动物如老鼠、负鼠和鼬鼠与人类到达时,鸟很容易的目标。据一位研究,这些入侵动物负责的损失估计有2660万只小鸡和鸡蛋的本地鸟类每年。
尽管严重的保护工作,许多新西兰鸟类已经灭绝或濒临灭绝。拯救那些离开,新西兰政府设置一个雄心勃勃的目标,到2050年消除国家的哺乳动物害虫。目前,入侵物种经常管理陷阱和毒物,不愉快的方式死去,比亚乔笔记。
基因,基因的出现变得更加可信的编辑,可以提供一个更人道的方式管理外来人口和保护物种的危害。
简单地说,一个基因变化的可能性继承特征,如性别。如果每10负鼠出生是男性,而不是正常的5,10,雌性生殖机会将减少。
如果老鼠,负鼠或鼬鼠基因编辑通过这种方式,它可以释放一些压力和新西兰濒危鸟类的威胁。基因,基因的出现变得更加可信的编辑,可以提供一个更人道的方式管理外来人口和保护物种的危害。
“很多事情已经完成了最好的意图,我们发现有不可预见的后果,”海伦泰勒说,保护遗传学家、奥塔哥大学的荣誉研究员。她指出,虽然负鼠害虫在新西兰,他们在澳大利亚是一个重要的物种。如果新西兰的负鼠基因在澳大利亚开车不知何故被释放,影响可能是毁灭性的。
莫德Quinzin、保护遗传学家和高级博士后,最近开始在麻省理工学院工作雕刻进化实验室凯文•Esvelt科学家首次提出CRISPR基因作为一种工具来创建驱动器。Quinzin使用她的理解生态系统动力学帮助雕刻进化实验室考虑生态系统的人类干扰的复杂的涟漪效应。
重要的是要从各个角度看科学,她说。“开发基因编辑工具需要科学家有不同的专业知识分享想法和进展的早期过程。”For example, if an invasive rat species is eradicated from an island, will other species — even other invasive species — become more populous? "You have to think about … the dynamic in that ecosystem," she says. Since suggesting that CRISPR could be used for gene drives, Esvelt himself has been vocal about他的担忧。
不过,Quinzin一直在保护生物学的前线,看有价值的物种灭绝的数量,和她希望保护社区将与所有选项。科学家将这些选项,他们真的需要了解他们工作的地方,Quinzin说。理解不仅仅来自研究人员,但也从那些生活在这些地方的人。“这是非常重要的,你尊重的价值观和知识的地方,“Quinzin说,不仅包括“科学信息也地方或当地知识”。通过与当地社区随着技术的发展,Quinzin说,研究人员可以专注于开发技术,结合社区的文化、社会、政治和环境价值观。
前进
在短期内,农业可能是最有可能使用CRISPR保护生物多样性。事实上,第一个gene-edited作物上市在2019年初在美国。个别国家还如何规范编辑植物一大区别了植物,通过自然突变和植物包含可能出现较大的编辑,如包含新的DNA。
至少,佩雷斯等科学家的工作可以扩大我们农作物的遗传多样性,添加更多的选项表作为农民,科学家和其他利益相关者对世界粮食安全工作。和选择是很重要的。没有单一的解决方案能够拯救生物多样性无处不在。和不小心应用解决方案可能会导致更多的问题。
科学家们似乎继续谨慎。至少一些珊瑚研究人员拒绝考虑使用CRISPR在野外。科学家在研究基因驱动器是口头上指出技术的局限性和赞美非科学家必须扮演的角色在决定使用或不使用CRISPR保护的目的。
“我认为我们有一个非常大的——不仅仅是机会,而且有义务让它在公众视线尽可能“比亚乔说。如果科学家没有得到公众的支持,她说,他们不应该使用这项技术。“我认为我们必须好。”
Quinzin说,她在小组和其他科学家想要从公众指导。同时,她指出,CRISPR”可能是这样一个了不起的工具如果我们尊重和负责任的,妥善使用它。”
没有完美的或普遍的解决世界面临生物多样性危机。和原因不能忘记追求解毒剂。这就是为什么它需要科学家和环保主义者用不同方法在不同地区有所不同。
这篇文章最初发表在Ensia。