《Nature Plants》首次为植物合成基因驱动可以帮助根除杂草

十多年前，一个研究小组利用基因组编辑器CRISPR加速了进化，促使一种基因在实验室饲养的果蝇种群中传播的速度比自然环境中的正常速度快很多倍。不久之后，基于CRISPR的“基因驱动”蚊子出现了，几年后，老鼠也出现了——这些进步带来了令人担忧的技术前景和伦理复杂性。支持者鼓吹基因驱动可以预防虫媒疾病，消灭老鼠和其他入侵生物，甚至有助于防止濒危物种的灭绝。

但有一种生物却与这种兴奋格格不入:植物。

现在，遗传学家报告说，合成基因驱动也可以在植物群中起作用。两个团队绕过了一个长期存在的障碍，独立地设计了拟南芥(Arabidopsis thaliana)，一种实验室常用的小型芥菜，它携带的基因有效载荷可被高达99%的后代遗传。模型表明，类似的基因可以在10到30代内渗透到自然植物种群中。“他们取得的成就相当惊人，”哥本哈根大学的杂草科学家Paul Neve说。“它既聪明又创新。”

在上周发表在《Nature Plants》杂志上的两篇论文中，研究小组描述了一种涉及“自私”基因序列的自然基因驱动，这种基因序列被称为毒素解毒剂元素。他们的成功开启了消灭杂草的可能性，这些杂草已经进化到可以抵抗许多除草剂。或者基因驱动可以使物种变得不那么麻烦，这样它们就可以继续为传粉昆虫和其他野生动物提供食物和栖息地。

堪萨斯州立大学的杂草生理学家和分子生物学家Mithila Jugulam说，植物基因驱动系统可能“对可持续的杂草管理非常有价值”。但科罗拉多州立大学(Colorado State University)的杂草生物学家Todd Gaines警告说，“我可以看到很多不利因素”，包括向农民推销这项技术，并获得监管部门的批准。

要让转基因作物通过包括农业部在内的美国机构的审批，仍然是一个漫长而昂贵的过程，农业部的任务是尽量减少新杂草和害虫的风险。那么，获得批准释放转基因杂草?

打破遗传规则的自然基因驱动是罕见的。正常情况下，被称为等位基因的每个基因拷贝都有被遗传的几率。然而，一些所谓的自私的DNA片段已经进化出了欺骗其他等位基因的方法，即使它们不能提高生物体的成功率，它们在人群中也变得越来越普遍。

许多最新的人工基因驱动技术都依赖于CRISPR技术，这种技术可以显著提高DNA序列被遗传的几率。它们由基因组编辑器的DNA和任何附加基因组成，这些基因被改造成动物从父母那里继承的两条染色体中的一条。在繁殖过程中，该序列与染色体的其余部分复制，就像任何自然基因一样。但是基因组编辑器随后也将该序列插入到另一条染色体中。它由下一代继承，不再是抛硬币，变得几乎是必然的。

由于植物的一种DNA修复机制，它们可以阻止标准的CRISPR导向的基因接管。但有些植物和动物确实含有解毒成分。这些由两个基因配对而成的序列，利用生殖的染色体洗牌，在种群中推进自己。在该系统的一种表现形式中，像花粉或精子这样的配子只遗传了毒素基因，就注定要失败，而那些拥有整个毒素解毒剂DNA的配子则存活下来。

受毒素解毒剂想法的启发，加州理工学院的遗传学家Bruce Hay和他的同事们于2019年开始为昆虫开发一种基因驱动，他们称之为“切割和救援系统”。它使用CRISPR的DNA切割酶Cas9切割并使配子中的一个重要基因失效，导致一些配子死亡。但是那些携带基因驱动的人存活了下来，因为他们得到了该基因的备份版本，稍微修改以避免分裂，同时还有第二个基因被携带到幸存的配子中。在这种情况下，CRISPR产生了毒素(已经失效的基本基因)，而抗CRISPR的拯救副本是让精子或卵子存活的解毒剂。

研究小组意识到这种方法也适用于植物。在这篇新论文中，研究小组描述了一种系统，该系统可以切割并使靶基因YKT61失效，而YKT61是植物细胞正确处理蛋白质和脂质所必需的。基因驱动还纳入了一种拯救基因，这是一种来自拟南芥近亲的YKT61基因，它的差异足以使CRISPR不将其视为目标。通过将启动子连接到CRISPR基因上，他们设计了能够在配子中启动该编辑器的植物。

携带基因编辑器的花粉和胚珠因为拯救基因而存活。当CRISPR破坏它们的YKT61时，那些没有的就会死亡。为了证明这可以迅速传播一个基因，研究小组附加了一个标记基因，使幸存的种子变成红色。基因驱动是有效的，因为97%到99%的拟南芥产生了红色种子。它很稳定，持续了五代人。

在中国，另一个团队采用了同样的方法，并取得了类似的结果。在中国科学院和北京大学遗传与发育生物学研究所的合成生物学家Wenfeng Qian的带领下，他们选择了一种不同的基因进行CRISPR切割，这种基因是花粉萌发所必需的。这个群体的红色标记出现在88%到99%的种子中，持续了两代。Qian回忆说，实验室成员打开种子荚的那一刻是“激动人心的”。

这些成功为控制已经对多种除草剂产生抗性的杂草提供了新的方法。以藜草(Amaranthus palmeri)为例，这种植物可以扼杀大豆等作物，并引起人们过敏。两个研究小组都计算出，在10到30代的时间里，他们的基因驱动可以使任何一个植物种群充满导致完全不育的基因。或者它可以传播一种货物基因，这种基因可以使杂草更加温和，而不需要消灭它——也许是一种使植物不会引起过敏的基因。

Hay说，可以设计一种旨在根除杂草的基因驱动，使基因重组——发生在生殖细胞中的DNA重组——最终分离其遗传成分并关闭它，从而降低致命的基因驱动传播到农田以外杂草的风险。爱荷华州立大学(Iowa State University)的植物遗传学家Kan Wang说:“这项技术可以有针对性，但不是完全具有破坏性，这一点非常重要。这是我非常欣赏的一部分。”

Neve说，无论多么安全，合成基因驱动对农业应用的吸引力可能有限。等待十年来根除杂草对农民来说可能是不可能的。该模型还假设农民将增加10%的携带基因驱动的杂草，从而增加现有杂草的数量——这需要大量的种植和更多的植物水和养分消耗。Hay认为基因驱动是对其他措施的补充，他想象农民每年在他们的田地周围种植一些携带基因驱动的杂草，一点一点地将杂草的数量减少到零。

还有一个基本的生物限制。基因驱动只对那些通过授粉传播的植物起作用，而很多麻烦的杂草都不会这样做。光滑的藜草和红根的藜草是最令人头疼的，它们都是自己授粉的，所以基因驱动会被困在公园里。植物也可能进化出对毒素解毒剂基因驱动的抗性，Neve补充说，就像它们对除草剂一样。但这不会是杂草管理的万灵药。