当基因工程是环境友好的选择

这篇文章最初发表了Ensia。

基因工程和传统育种，哪个对植物的破坏更大?

人们常常会惊讶地发现通用电气通常导致更少的破坏植物而不是传统的育种技术。但同样意义深远的是，我们认识到，最新的通用技术，加上分析大量遗传物质的能力迅速扩大，使我们能够对农作物基因进行超适度的改变，这将使农民能够生产更多的粮食，同时减少对环境的不利影响。基于crispr的基因组编辑是一套强大的新基因工具，可以实现这种超适度的改变是引领了生物学的革命。

我对转基因作物的兴趣源于我希望为全世界的农民提供更有效和可持续的植物病害控制。疾病经常破坏10%到15%的潜在作物产量，导致全球每年损失数十亿美元。与疾病相关的损失风险促使农民使用杀虫剂等疾病控制产品。

我最擅长的专业领域之一是使用杀虫剂控制疾病。杀虫剂当然可以在世界范围内的农业系统中发挥作用，但从可持续性的角度来看，它们有明显的缺点。必威体育2018如果使用不当，它们会污染食物。它们会给农场工人带来危险。而且它们必须是生产、运输和应用的——所有的过程都有可测量的环境足迹。因此，我一直在寻求通过向农民提供更可持续的疾病管理方法来减少农药的使用。

人们常常惊讶地发现，与传统育种技术相比，通用电气对植物造成的破坏更小。

下面是一些例子，说明如何将转基因技术的微小变化应用于保护作物免受病害，从而使农业更加环保。它们只是样本中的一小部分广阔的机会景观用于加强今天分子生物学创新所提供的粮食安全和农业可持续性。必威体育2018

这些例子所展示的转基因作物不会引起人们对植物或人类的担忧。植物每产生一粒种子，突变就会自然发生;事实上，它们是进化的基础。我们吃的所有食物都有各种各样的突变，吃有突变的植物不会引起我们的突变。

击出易感性

微小的基因变化如何能对植物健康产生巨大影响，一个显著的例子就是“敲除”微生物可从中受益的植物基因的策略。入侵的微生物有时会劫持某些植物分子来帮助自己感染植物。产生这种植物分子的基因被称为易感基因。

我们可以使用CRISPR-based基因组编辑来创造一个“定向突变”在易感基因中。植物遗传物质中一个核苷酸的微小变化——可能的最小的遗传变化——就可以授予抗病性在某种程度上，这与自然突变是完全无法区分的自然突变是自发发生的。然而，如果目标基因和突变位点被精心选择，单核苷酸突变可能足以达到重要的结果。

大量研究表明，敲除易感基因可以增强植物对多种致病微生物的抵抗力。有一个例子引起了我的注意小麦白粉病，因为杀菌剂(控制真菌的杀虫剂)通常用于防治这种疾病。虽然这种特殊的基因消除尚未商业化，但我个人更愿意食用通过基因控制疾病的品种的小麦产品，而不是经过杀菌剂处理的作物。

病毒片段的力量

在易感作物品种中，植物病毒往往难以控制。传统育种可以帮助植物抵抗病毒，但有时并不成功。

在植物中改造病毒抗性的早期方法包括将病毒中的一个基因插入到植物的遗传物质中。例如，感染植物的病毒被一层称为“外壳蛋白”的蛋白质保护层所包围。The gene for the coat protein of a virus called papaya ring spot virus was inserted into papaya. Through a process called RNAi, this empowers the plant to inactivate the virus when it invades. GE papaya has been a spectacular success, in large part拯救夏威夷木瓜产业。

植物每产生一粒种子，突变就会自然发生;事实上，它们是进化的基础。

随着时间的推移，研究人员发现了这一点即使是很小的碎片如果精确地放置在植物DNA的特定位置，一个病毒基因可以激发基于rna的抗性。更好的是，他们发现我们可以“堆栈”抗性基因通过极其微小的改变来创造一种对多种病毒具有高度抵抗力的植物。这一点很重要，因为在田间，作物经常受到几种病毒的感染。

吃了这么小的病毒基因序列会让我担心吗?绝对不是，原因有很多，包括:

• 早在基因工程发明之前，这些片段和它们所引发的植物防御就已经是我们饮食的一部分了。
• 插入的遗传物质来自感染植物的病毒，而不是哺乳动物。
• 我们插入了非常有限的，不完整的病毒基因组片段。
• 这些病毒——以及这些分子——在自然感染的作物(我们一直吃的)中比在转基因作物中多得多。

调整哨兵分子

微生物通常可以通过产生一种名为效应子的分子来干扰植物的生化防御，从而战胜植物的生化防御。植物通过进化蛋白质来识别和禁用这些效应分子。这些识别蛋白被称为“R”蛋白(“R”代表“抗性”)。它们的工作是识别入侵的效应分子，并触发额外的防御。第三种帮助植物抵御微生物入侵的有趣方法是设计一种R蛋白，使其能识别效应分子，而不是它进化来检测的效应分子。然后，我们可以使用CRISPR为植物提供制造这种蛋白质所需的少量DNA。

这种方法，像敏感性敲除，是相当可行的发表的研究。商业实现将需要一些愿意从事开发工作的私营或公共部门实体，并面对监管过程中非常重大和昂贵的挑战。

设计为可持续性必威体育2018

这里的三个例子表明，在植物遗传学上极其微小的工程改变可以带来非常重要的好处。这三个例子都涉及到触发植物自然防御机制的改造。在这些研究项目中没有引入新的防御机制，这一事实可能会吸引一些消费者。明智地使用先进的通用电气方法在这里说明，以及其他描述，有潜力增加我们的粮食生产系统的可持续性，特别是考虑到必威体育2018完善的安全转基因作物及其产品为消费。