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新时代对基因编辑作物商业化的展望与思考(下)

放大字体  缩小字体 发布日期:2023-03-06  来源:中国种业  作者:杭州墨育  浏览次数:1472
 

      在新时代对基因编辑作物商业化的展望与思考(上)、新时代对基因编辑作物商业化的展望与思考(中)(←点击可查看全文)两期文章中,笔者谈及了基因编辑在作物改良上的发展前景及已取得的丰硕成果。那么如果想要进行基因编辑育种,如何制定方案以及需要准备多大的投入呢?

      1基因编辑育种方案主要涉及的三方面内容

       1.1   待改良材料与目标性状的选择

      新时代对基因编辑作物商业化的展望与思考(中)(←点击可查看全文)已经举例了不少基因编辑可以改良的性状。

      基因编辑育种方案的确定,应以待改良材料为切入点,而并非某个预设的靶点或性状。

      因为大家必须明确一点,基因编辑是对一个或几个位点的定向改造。而一个成功的品种是由一系列的优良性状共同决定的,因此,仅靠基因编辑一两个位点无法产生一个优良的品种。

      基因编辑在育种中的定位应该是补齐短板或创造特色!

      举个例子,一个玉米品种产量等方面表现非常好,但是在区域试验中,出现了某地点高感穗粒腐病,因此被一票否决。那么通过基因编辑突变特定感病基因位点,使品种达到中抗以上的水平,从而顺利通过省审乃至国审,是有可行性的。

      又比如,一个油菜品种各性状的综合表现不错。但是缺少特色,推广受阻。通过基因编辑降低芥酸含量,编辑改良的油菜品种凭借低芥酸油菜或菜籽油的卖点,就容易被大家认可和接受。

      然而对缺陷较多的材料开展基因编辑,能起到的改良效果有限。基因编辑只能进行定向改造,并不能挽救一个失败的品种。

      好的编辑靶点应用于改良一个好的品种,才能创造爆款品种!

       1.2   基因编辑载体的设计

      一般来说,相关的生物或农业科技公司,都已经有成熟的基因编辑载体构建、遗传转化及筛选的技术。在这方面,育种家不需要纠结于具体的技术细节。

      需要强调的是,现在的基因编辑技术,是允许同时针对多个靶基因进行编辑的!

      因为CRISPR/Cas9技术是Cas9蛋白通过gRNA靶向目标位点进行切割的。因此在载体上同时设计靶向多个位点的gRNA,即可以达到一个载体完成多基因突变的目的。

      强烈建议育种家在进行基因编辑试验的时候,考虑多个靶点。

      同时编辑多个靶点并不会大幅度提升成本,但是却可以大大节省育种时间,何乐而不为呢?不要担心同时编辑多个靶点会画蛇添足产生不良的结果。要知道即便是同时改良3个位点,我们也可以轻易地通过与野生型杂交,分离出单个位点改良的材料,以满足不同的育种需求。

      最近在番茄育种上就有一个非常典型的例子。中国科学院遗传与发育生物学研究所李传友研究组同时编辑3个番茄颜色相关的基因,得到绿色的番茄。在此基础上将其与红色野生型杂交并分离筛选,分别获得了3种单基因突变(橙色、粉红色、棕色)、3种双基因突变(黄色、红紫色、黄绿色),共计6种颜色的番茄种质。这些材料除了颜色的差别外,在单果重、单株产量、果实可溶性固形物含量和维生素C含量等性状上均不存在显著差别(Yang et al., 2022)。

      有育种家会认为,目标性状目前只有一个关键基因,不需要进行多基因编辑。即使主体目标是确定的,但并不是不能同时改良或尝试改变其他性状!

      比如说,某育种家希望将一种糯玉米改良出类似水稻的香味。上期我们谈到过,通过单基因编辑令玉米积累2-AP就可以达到这个目的。

      此外,还可以同时提高穗粒腐病抗性!

      还可以尝试同时敲除Sh2基因创造超甜的香玉米种质!

      还可以分离出超甜香自交系与糯香自交系杂交生成Shshwxwx基因型的香甜糯玉米杂交种!

      通过以上设计可以同时得到携带香味的糯玉米、甜玉米以及甜糯玉米,同时这些玉米的穗粒腐病抗性还能得到提高。

通过一次基因编辑产生7种不同颜色的西红柿(Yang et al., 2022)

       1.3   遗传转化受基因型限制的作物改良方案

      大多数主要作物的遗传转化目前受到基因型的限制,即尽管很多作物已经有了转基因体系,但不是所有品种都可以轻松地进行转基因。基因编辑育种通过转基因引入Cas9及gRNA,育种家想要改良的特定品种受这种限制无法直接编辑。商业化的生物技术公司往往只提供对特定种质的转基因服务。再通过回交和分子标记检测,将靶基因突变导入特定品种中。

      笔者建议,在基因编辑的T0代(世代1),即杂合世代,就开始与待改良的自交系进行杂交,杂交F₁(世代2)中将会有1/4的材料携带杂合变异基因型且分离掉了外源载体序列(假设只改良单一位点)。接着通过3代与待改良材料的回交,获得BC₃F₁(世代5)的材料,其中每代都会有1/2的材料携带杂合的变异基因型。最后通过1代自交,获得的BC₃F₂(世代6)中有1/4携带纯合变异基因型的自交系,该改良自交系可以表现目标性状,且理论背景恢复率达到了90%以上,可以作为新品种或新品种的亲本进行使用。

      按以上的技术流程,共计花费6个世代的时间,对大多数作物来说,意味着3年左右的育种周期。

      注意,因为基因编辑创造的基因型,大多数是隐性突变基因型,因此利用杂种优势的作物,需要同时对品种的双亲进行改良。还要需要注意回交过程对配合力的影响,建议利用芯片等技术监控遗传背景,使改良后的材料与原本的亲本尽量相近。同时,建议对双亲的改良使用不同遗传背景的基因编辑材料作为供体亲本,以保证导入的目标片段仍保留一定程度的杂种优势。

      也有科学家提出绕过遗传转化基因型限制,一步到位地进行特定材料基因编辑的技术设想,如单倍体诱导基因编辑、嫁接介导基因编辑等。但由于编辑效率等诸多问题,暂时未能迈过商业化的门槛。不再一一赘述,希望相关的技术可以尽快得到改良并走向商用。

基因编辑改良特定品种的技术流程(括号中标注种植世代)

      2基因编辑育种的成本核算

      在明确了基因编辑作物改良方案基础上,就可以进行成本核算。

      由于基因编辑是一种定向设计育种技术,性状表现可以预期,只有最终成功与否,不需要“万里挑一”的表型选择。所以,表型鉴定和选择这一传统育种的重要支出项上,基因编辑育种的成本几乎可以忽略。

      基因编辑育种的成本主要有哪些呢?

      1)基因编辑本身的成本:指载体构建、遗传转化、获得T0植株或者种子等工作中涉及的成本。

      2)后代基因型鉴定的成本:在后代中选择携带变异基因型、不携带载体序列的植株,这个过程中基因型检测的成本,此外还包括回交中追踪变异基因型及检测遗传背景的成本。

      3)育种过程中的土地和人力成本:基因编辑育种,需要保证目标位点有足够的分离材料即可,每代有数百棵植株便可以富余地满足试验需求。土地及人力成本,相对于前两项成本来说非常有限。

      明确这些成本来源后,我们可以很容易对基因编辑育种的成本进行核算。

      对于基因编辑本身的成本来说,如果完全交给生物或农业科技公司进行,大多数作物的多位点基因编辑价格不会超过3万元。

      基因型鉴定,若只鉴定一代,成本并不高;若对杂交、连续回交和自交后代进行基因型检测,成本相当于分子标记辅助回交育种。以公司商业化分子标记辅助育种项目收费为参考,一个材料的价格不会超过5万元(不进行背景检测)。

      对于基因型不受限的作物,基因编辑育种的成本=基因编辑本身成本(3万)+少基因型检测成本+少量土地及人力成本,原则上可以控制在5万元以内。

      对于基因型受限的作物,只使用一个基因编辑材料作为供体,不检测背景恢复率的情况下,基因编辑育种的成本≈基因编辑本身成本(3万)+分子标记辅助回交育种成本(5万)+少量土地及人力成本,基本可以控制在10万以内。当然如果需要对双亲同时改良,并且考虑对杂种优势影响的情况下,成本可能会进一步上升,但应该不会超过20万。

      以上是基于公司商业化基因编辑及分子标记辅助选择服务的成本估算。如果育种家或机构自己可以完成其中一部分环节,成本还可以进一步压缩。

      新时代下对基因编辑作物商业化的展望及思考,到此分享完毕。不知道屏幕前您认为,基因编辑育种时机是否成熟了?

      如果大家对基因编辑育种仍有兴趣的话,笔者将从个人角度解读一下《农业用基因编辑植物安全评价指南(试行)》。各位同仁,有缘再见。

      参考文献

      Tianxia Yang, Muhammad Ali, Lihao Lin, Ping Li, Hongju He, Qiang Zhu, Chuanlong Sun, Ning Wu, Xiaofei Zhang, Tingting Huang, Chang-Bao Li, Chuanyou Li, Lei Deng. Recoloring tomato fruit by CRISPR/Cas9-mediated multiplex gene editing. Horticulture Research[J]. 2022, 8: uhac214.

      作者:杭州墨育

      联系方式:MYNY2112(微信)

 
 
 
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