以快捷、简易且经济而著称的CRISPR技术，正在农业界引爆一场变革——多家公司已开始争相种植基因编辑作物，以期这些农作物最终能够进入市场。
如果你不能接受转基因，那基因编辑食物呢，你愿意让它们出现在你的餐桌上吗？
在美国宾夕法尼亚州切斯特县一家酒店的会议大厅中，一百多位农业生产者齐聚一堂，他们或许没有基因编辑的相关知识背景，但都对蘑菇了若指掌。在宾夕法尼亚州，蘑菇的平均日产量近500吨，雄霸美国12亿美元的蘑菇市场。然而，他们生产的蘑菇有些还没来得及卖出去，就在货架上变成褐色，腐败了。蘑菇对于物理碰撞十分敏感，即便是小心谨慎的“一触式”采摘法和精心的包装，也可能激活那些加速蘑菇变质的酶。
去年秋天一个有雾的清晨，在与蘑菇相关的继续教育讲座上，一位名叫杨亦农（Yinong Yang）的生物学家走上讲台，向大家宣布他已找到了有望解决蘑菇变褐问题的方法。这位宾夕法尼亚州立大学的植物病理学教授虽然不是蘑菇种植领域的专家，但他利用一种叫做“CRISPR”的新技术，对西方世界最受欢迎的食用菇——双孢蘑菇，进行了基因组编辑。
听众席里的种植者们或许从未听说过CRISPR技术，但当杨亦农把经过CRISPR技术改造后纯白的双孢蘑菇与腐坏变褐的普通蘑菇做了一番对比之后，他们也意识到其中潜藏的巨大商业价值。宾夕法尼亚州立大学也深谙其商业价值，就在杨亦农举行讲座的前一天，他们为该研究成果申请了专利。
“低价”剪掉蘑菇褐变基因
2013年10月，一位名叫戴维·卡罗尔的校友敲开了杨亦农实验室的门。卡罗尔是一家蘑菇公司的董事长，他想知道新的基因编辑技术能否被用于蘑菇改良，以期减少蘑菇的褐变。
生物学家之前已经确认了6种编码褐变酶的基因，导致苹果和马铃薯褐变的酶也是由这类基因编码的。这些所谓的褐变基因中有4种在蘑菇的子实体中高度表达，产生大量的褐变酶，杨亦农认为如果他能利用基因编辑技术在蘑菇基因组中引入突变，阻止其中一个褐变基因的表达，就可能减缓蘑菇的褐变速度。
CRISPR技术之所以如此简易，是因为生物学家能够直接根据需求构建产生突变的分子。就像结合了指南针、剪刀和老虎钳功能的工具刀，这些分子工具能够出色地完成两个任务：锁定特定的DNA序列，然后对它进行剪切。标靶位点DNA的剪切一旦发生，突变就会随之自然发生。
杨亦农利用一个微小的DNA突变破坏了一种褐变酶基因的表达，并用DNA检测对这一突变进行了确认。他说一个熟练的分子生物学家大约能在3天内构建一个专门的突变工具，用于编辑任何生物的任何基因。
这正是CRISPR技术被科学家追捧的原因——快捷、经济且简易。在实验室中制造抗褐变的蘑菇大约花费了2个月的时间。杨亦农暗示这类研究如果不是特别简单，也是极其程式化的，而且花费非常少。合成向导RNA及其“骨架”算是整个研究项目中最难的步骤了，也只需几百美元就能完成。目前有很多小型生物技术公司正在定制用于编辑任何基因的CRISPR架构。杨亦农说：“如果不考虑人力，这个项目大约只需不到1万美元。”
农业领域掀起基因编辑技术风潮
研究动物的科学家也紧跟基因编辑的技术风潮。Recombinetics公司是美国明尼苏达州的一家小型生物技术公司，该公司的研究人员从基因水平阻断了荷斯坦奶牛（乳制品业的主要乳牛品系）体内控制牛角生长的生物信号。他们通过基因编辑，将阿格斯肉牛的自然突变无角基因，导入荷斯坦奶牛的基因组中。农业科学家认为，基因编辑技术让养殖业更人道，因为这种技术让公的荷斯坦奶牛无需接受残酷的去角手术。去掉奶牛的角，不仅可以防止奶牛打斗受伤，还可防止伤及奶农。
该公司的首席执行官斯科特·法伦克鲁格（Scott Fahrenkrug）认为，这种基因编辑过程不涉及转基因，只是在奶牛的基因组中引入几个碱基，其基因组成与我们已经在吃的食物并无差异。与此同时，中国和韩国的科学家已经开始合作研发肌肉型肉猪，他们计划利用基因编辑技术，敲除猪体内的肌肉生长抑制素基因。
与其他的强大科技一样，CRISPR技术激发了一些农业梦想家对未来农业的幻想，一些近乎科幻的场景，已经开始出现在科学文献中。丹麦哥本哈根大学的植物学家迈克尔·帕尔姆格伦（Michael Palmgren）就提议，科学家可以利用这种新的基因编辑技术让粮食作物恢复“野性”，即恢复那些在长期的农业育种过程中失去的野生性状。许多具有高度经济价值的粮食作物（大米、小麦、柑橘和香蕉）对于多种病原体的抗性都很差；修复丧失的基因有可能增强这些作物的抗病能力。
丹尼尔· F·沃伊塔斯（Daniel F. Voytas）既在学术机构任职，也是Calyxt生物技术公司的科学家。在明尼苏达大学的实验室，沃伊塔斯开始尝试一种叫做“分子驯化”的方法恢复农作物的野生性状：将现有杂交品系的优良基因转入耐受性及适应性更强的野生品种（如野生玉米和马铃薯）中。沃伊塔斯说：“让野生品种具备各种优良性状，如改变果实大小或玉米穗数等，通常只需改变5—7个基因。现在，我们不必花费10年时间将野生品种与驯化品系进行杂交育种，只需直接对相关基因进行编辑，就能驯化野生品种。”
基因编辑农作物无需接受严格管制
CRISPR技术问世以来的短短3年间，对农业界产生了深刻影响。截至2015年秋，利用CRISPR技术对植物进行基因编辑的科学论文已发表了约50篇，而且有初步迹象显示，美国农业部认为并非所有经过基因编辑的农作物都需要像“传统”转基因作物（GMO）一样，接受严格的监管。虽然监管部门对基因编辑作物的态度还未完全明朗，但多家公司已开始争相种植基因编辑作物，以期这些农作物最终能够进入市场。
CRISPR技术的最大优势在于前所未有的精准度。CRISPR技术能够敲除基因组中的任何基因，或在基因组的特定位置插入基因，来为农作物导入优良性状。该技术的使用者认为，这是所有植物育种方法（包括人类使用了数千年的“自然”育种技术）中，生物破坏性最小的。该技术还让科学家可以在很多情况下避免使用颇具争议性的转基因技术（即引入外源性基因）。
一些科学家对CRISPR作物的前景表示乐观，因为他们认为这些作物与转基因作物具有根本性的不同，而这将改变人们对于GMO食品的争论。沃伊塔斯认为：“这项新技术让我们不得不重新思考GMO到底是什么。”
在用CRISPR技术编辑作物基因方面，管制较宽松，这也能节省大量人力物力。去年10月，杨亦农为美国农业部动植物卫生监察局的官员做了一个关于蘑菇研究的非正式介绍。美国农业部的官员认为，经过编辑的蘑菇并不需要特别或长期的管制审查。如果真的如此，这将是CRISPR技术最重要的经济优势，因为据沃伊塔斯估计，管制审查过程的花费可能高达3500万美元，耗时可能长达5年半。
基因编辑算转基因吗
当杨亦农为宾夕法尼亚州的农业生产者和美国农业部的官员介绍蘑菇研究项目时，他用了一个很能说明问题的短语——非转基因遗传修饰，来描述他的实验本质。这个经过仔细斟酌的新提法，是为了将CRISPR这类高精度的基因编辑技术，与早前将外源DNA转入植物的农业生物技术区分开来。杨亦农和许多人都认为，微妙的措辞对于避免陷入GMO那样的争论至关重要。实际上，已经开始出现“GEO”（gene-edited organism）这样的缩写来替代“GMO”或“GM”。
生物技术食品的批评者大多认为，任何形式的基因修饰都应该属于GM，它们都有可能造成意外的突变，对人类健康或环境构成威胁。像沃伊塔斯和杨亦农这样的科学家则认为，所有形式的植物育种（可追溯到3000年前新石器时代的人培育的小麦）都涉及基因修饰，而且传统的育种技术从生物学意义上来说并非是无害的。就像杨亦农所说的，它会造成“巨大”的遗传破坏性。
初步迹象显示，基因编辑（包括CRISPR技术）可能较快获得监管部门的批准。到目前为止，至少美国的监管机构对某些基因编辑作物与转基因GMO作物是区别对待的。当Calyxt公司首次向美国农业部询问，是否需要对基因编辑的马铃薯进行监管审查时，美国联邦官员花了一年时间审查，终于在2014年8月决定，基因编辑作物不需要特别考量；去年夏天，当该公司再次向美国农业部呈报他们的基因编辑大豆时，审查官员只花了两个月的时间就做出了类似的决定。对于生物技术公司来说，这说明美国当局认为，这些基因编辑的新技术与转基因技术有着本质的不同；而对于基因修饰技术的批评者来说，这意味着生物技术公司在钻监管体系的空子。杨亦农的蘑菇也许是向美国农业部呈报的第一种CRISPR食品。
像CRISPR这样的新技术，促使一些政府开始重新审视GMO的定义。去年11月，瑞典的农业委员会裁定：某些用CRISPR技术诱发的植物突变，不符合欧盟对于GMO的定义；阿根廷政府也同样决定一些基因编辑作物不属于GMO的管制范围。欧盟一直以来都对转基因作物有相当严格的管制，随着新的基因编辑技术的出现，目前它正在重新审核相关政策，但相关立法还没有这么快。
虽然关于这个问题没有什么中间立场，但沃伊塔斯和其他人还是提出了一个具有潜力的妥协方案：通过基因编辑导致的基因突变或基因敲除，应该被看作类似传统育种方式（例如用于诱发突变的X射线）所导致的突变；而利用基因编辑引入新的DNA，则应该接受相应的监管审查。
公众反应尚难预测
消费者会同意那些科学家的乐观观点吗？还是会认为CRISPR作物不过是另一种转基因食品？由于CRISPR技术现在才刚开始应用于粮食作物，这些问题还没有在大众中激起波澜，但它很快就会引起公众的关注。
虽然CRISPR技术比传统育种技术更精确，但也并非万无一失。有时，这个精确的剪切工具也会对非目标区域进行剪切，存在“脱靶”的可能，这引起了一些人对该技术安全性的担忧。珍妮弗·库兹马（Jennifer Kuzma）是美国北卡罗来纳州立大学的政策分析师，她从GMO农业起步初期就开始关注与此相关的科学进展与政策变化。她谈道：“精确性是这项技术的优点，但那并不意味着会降低相关的风险。脱靶剪切可能会产生完全不同的危害。”
库兹马预测，那些一直反对基因修饰技术的人，仍不会轻易接受CRISPR食品。她说：“抵制第一代GMO的公众，不可能仅仅因为我们只改变了少量的DNA，就接受第二代基因改造技术。他们还是会把CRISPR食品跟以前的GMO归为一类。”库兹马更关心的是，在越来越多基因编辑食品即将涌入市场的新时代，如何更新整个监管结构，以及在审查阶段吸纳更多的意见。
杨亦农的蘑菇命运又将如何？在他的讲座结束时，种植蘑菇的种植者们除了礼节性的鼓掌之外，对于这个新技术并没有明显的反应和表态。杨亦农也明白这一点，他告诉种植者们：“这种蘑菇能否商业化种植，完全取决于你们。”抗褐变的蘑菇目前还暂时是验证性的实验项目。如果种植者不确信抗褐变蘑菇的价值，或是害怕消费者会抗拒，那么这些经过基因编辑、具有优良性状的蘑菇可能永无面世之日。对于在黑暗中生长的蘑菇，不见天日通常不是件坏事，但对于这项变革性的新技术来说，或许不是什么好兆头。
稿件来源：《环球科学》（《科学美国人》中文版）
撰文：斯蒂芬·S·霍尔（Stephen S. Hall）
翻译：赵瑾
以快捷、简易且经济而著称的CRISPR技术，正在农业界引爆一场变革——多家公司已开始争相种植基因编辑作物，以期这些农作物最终能够进入市场。
如果你不能接受转基因，那基因编辑食物呢，你愿意让它们出现在你的餐桌上吗？
在美国宾夕法尼亚州切斯特县一家酒店的会议大厅中，一百多位农业生产者齐聚一堂，他们或许没有基因编辑的相关知识背景，但都对蘑菇了若指掌。在宾夕法尼亚州，蘑菇的平均日产量近500吨，雄霸美国12亿美元的蘑菇市场。然而，他们生产的蘑菇有些还没来得及卖出去，就在货架上变成褐色，腐败了。蘑菇对于物理碰撞十分敏感，即便是小心谨慎的“一触式”采摘法和精心的包装，也可能激活那些加速蘑菇变质的酶。
去年秋天一个有雾的清晨，在与蘑菇相关的继续教育讲座上，一位名叫杨亦农（Yinong Yang）的生物学家走上讲台，向大家宣布他已找到了有望解决蘑菇变褐问题的方法。这位宾夕法尼亚州立大学的植物病理学教授虽然不是蘑菇种植领域的专家，但他利用一种叫做“CRISPR”的新技术，对西方世界最受欢迎的食用菇——双孢蘑菇，进行了基因组编辑。
听众席里的种植者们或许从未听说过CRISPR技术，但当杨亦农把经过CRISPR技术改造后纯白的双孢蘑菇与腐坏变褐的普通蘑菇做了一番对比之后，他们也意识到其中潜藏的巨大商业价值。宾夕法尼亚州立大学也深谙其商业价值，就在杨亦农举行讲座的前一天，他们为该研究成果申请了专利。
“低价”剪掉蘑菇褐变基因
2013年10月，一位名叫戴维·卡罗尔的校友敲开了杨亦农实验室的门。卡罗尔是一家蘑菇公司的董事长，他想知道新的基因编辑技术能否被用于蘑菇改良，以期减少蘑菇的褐变。
生物学家之前已经确认了6种编码褐变酶的基因，导致苹果和马铃薯褐变的酶也是由这类基因编码的。这些所谓的褐变基因中有4种在蘑菇的子实体中高度表达，产生大量的褐变酶，杨亦农认为如果他能利用基因编辑技术在蘑菇基因组中引入突变，阻止其中一个褐变基因的表达，就可能减缓蘑菇的褐变速度。
CRISPR技术之所以如此简易，是因为生物学家能够直接根据需求构建产生突变的分子。就像结合了指南针、剪刀和老虎钳功能的工具刀，这些分子工具能够出色地完成两个任务：锁定特定的DNA序列，然后对它进行剪切。标靶位点DNA的剪切一旦发生，突变就会随之自然发生。
杨亦农利用一个微小的DNA突变破坏了一种褐变酶基因的表达，并用DNA检测对这一突变进行了确认。他说一个熟练的分子生物学家大约能在3天内构建一个专门的突变工具，用于编辑任何生物的任何基因。
这正是CRISPR技术被科学家追捧的原因——快捷、经济且简易。在实验室中制造抗褐变的蘑菇大约花费了2个月的时间。杨亦农暗示这类研究如果不是特别简单，也是极其程式化的，而且花费非常少。合成向导RNA及其“骨架”算是整个研究项目中最难的步骤了，也只需几百美元就能完成。目前有很多小型生物技术公司正在定制用于编辑任何基因的CRISPR架构。杨亦农说：“如果不考虑人力，这个项目大约只需不到1万美元。”
农业领域掀起基因编辑技术风潮
研究动物的科学家也紧跟基因编辑的技术风潮。Recombinetics公司是美国明尼苏达州的一家小型生物技术公司，该公司的研究人员从基因水平阻断了荷斯坦奶牛（乳制品业的主要乳牛品系）体内控制牛角生长的生物信号。他们通过基因编辑，将阿格斯肉牛的自然突变无角基因，导入荷斯坦奶牛的基因组中。农业科学家认为，基因编辑技术让养殖业更人道，因为这种技术让公的荷斯坦奶牛无需接受残酷的去角手术。去掉奶牛的角，不仅可以防止奶牛打斗受伤，还可防止伤及奶农。
该公司的首席执行官斯科特·法伦克鲁格（Scott Fahrenkrug）认为，这种基因编辑过程不涉及转基因，只是在奶牛的基因组中引入几个碱基，其基因组成与我们已经在吃的食物并无差异。与此同时，中国和韩国的科学家已经开始合作研发肌肉型肉猪，他们计划利用基因编辑技术，敲除猪体内的肌肉生长抑制素基因。
与其他的强大科技一样，CRISPR技术激发了一些农业梦想家对未来农业的幻想，一些近乎科幻的场景，已经开始出现在科学文献中。丹麦哥本哈根大学的植物学家迈克尔·帕尔姆格伦（Michael Palmgren）就提议，科学家可以利用这种新的基因编辑技术让粮食作物恢复“野性”，即恢复那些在长期的农业育种过程中失去的野生性状。许多具有高度经济价值的粮食作物（大米、小麦、柑橘和香蕉）对于多种病原体的抗性都很差；修复丧失的基因有可能增强这些作物的抗病能力。
丹尼尔· F·沃伊塔斯（Daniel F. Voytas）既在学术机构任职，也是Calyxt生物技术公司的科学家。在明尼苏达大学的实验室，沃伊塔斯开始尝试一种叫做“分子驯化”的方法恢复农作物的野生性状：将现有杂交品系的优良基因转入耐受性及适应性更强的野生品种（如野生玉米和马铃薯）中。沃伊塔斯说：“让野生品种具备各种优良性状，如改变果实大小或玉米穗数等，通常只需改变5—7个基因。现在，我们不必花费10年时间将野生品种与驯化品系进行杂交育种，只需直接对相关基因进行编辑，就能驯化野生品种。”
基因编辑农作物无需接受严格管制
CRISPR技术问世以来的短短3年间，对农业界产生了深刻影响。截至2015年秋，利用CRISPR技术对植物进行基因编辑的科学论文已发表了约50篇，而且有初步迹象显示，美国农业部认为并非所有经过基因编辑的农作物都需要像“传统”转基因作物（GMO）一样，接受严格的监管。虽然监管部门对基因编辑作物的态度还未完全明朗，但多家公司已开始争相种植基因编辑作物，以期这些农作物最终能够进入市场。
CRISPR技术的最大优势在于前所未有的精准度。CRISPR技术能够敲除基因组中的任何基因，或在基因组的特定位置插入基因，来为农作物导入优良性状。该技术的使用者认为，这是所有植物育种方法（包括人类使用了数千年的“自然”育种技术）中，生物破坏性最小的。该技术还让科学家可以在很多情况下避免使用颇具争议性的转基因技术（即引入外源性基因）。
一些科学家对CRISPR作物的前景表示乐观，因为他们认为这些作物与转基因作物具有根本性的不同，而这将改变人们对于GMO食品的争论。沃伊塔斯认为：“这项新技术让我们不得不重新思考GMO到底是什么。”
在用CRISPR技术编辑作物基因方面，管制较宽松，这也能节省大量人力物力。去年10月，杨亦农为美国农业部动植物卫生监察局的官员做了一个关于蘑菇研究的非正式介绍。美国农业部的官员认为，经过编辑的蘑菇并不需要特别或长期的管制审查。如果真的如此，这将是CRISPR技术最重要的经济优势，因为据沃伊塔斯估计，管制审查过程的花费可能高达3500万美元，耗时可能长达5年半。
基因编辑算转基因吗
当杨亦农为宾夕法尼亚州的农业生产者和美国农业部的官员介绍蘑菇研究项目时，他用了一个很能说明问题的短语——非转基因遗传修饰，来描述他的实验本质。这个经过仔细斟酌的新提法，是为了将CRISPR这类高精度的基因编辑技术，与早前将外源DNA转入植物的农业生物技术区分开来。杨亦农和许多人都认为，微妙的措辞对于避免陷入GMO那样的争论至关重要。实际上，已经开始出现“GEO”（gene-edited organism）这样的缩写来替代“GMO”或“GM”。
生物技术食品的批评者大多认为，任何形式的基因修饰都应该属于GM，它们都有可能造成意外的突变，对人类健康或环境构成威胁。像沃伊塔斯和杨亦农这样的科学家则认为，所有形式的植物育种（可追溯到3000年前新石器时代的人培育的小麦）都涉及基因修饰，而且传统的育种技术从生物学意义上来说并非是无害的。就像杨亦农所说的，它会造成“巨大”的遗传破坏性。
初步迹象显示，基因编辑（包括CRISPR技术）可能较快获得监管部门的批准。到目前为止，至少美国的监管机构对某些基因编辑作物与转基因GMO作物是区别对待的。当Calyxt公司首次向美国农业部询问，是否需要对基因编辑的马铃薯进行监管审查时，美国联邦官员花了一年时间审查，终于在2014年8月决定，基因编辑作物不需要特别考量；去年夏天，当该公司再次向美国农业部呈报他们的基因编辑大豆时，审查官员只花了两个月的时间就做出了类似的决定。对于生物技术公司来说，这说明美国当局认为，这些基因编辑的新技术与转基因技术有着本质的不同；而对于基因修饰技术的批评者来说，这意味着生物技术公司在钻监管体系的空子。杨亦农的蘑菇也许是向美国农业部呈报的第一种CRISPR食品。
像CRISPR这样的新技术，促使一些政府开始重新审视GMO的定义。去年11月，瑞典的农业委员会裁定：某些用CRISPR技术诱发的植物突变，不符合欧盟对于GMO的定义；阿根廷政府也同样决定一些基因编辑作物不属于GMO的管制范围。欧盟一直以来都对转基因作物有相当严格的管制，随着新的基因编辑技术的出现，目前它正在重新审核相关政策，但相关立法还没有这么快。
虽然关于这个问题没有什么中间立场，但沃伊塔斯和其他人还是提出了一个具有潜力的妥协方案：通过基因编辑导致的基因突变或基因敲除，应该被看作类似传统育种方式（例如用于诱发突变的X射线）所导致的突变；而利用基因编辑引入新的DNA，则应该接受相应的监管审查。
公众反应尚难预测
消费者会同意那些科学家的乐观观点吗？还是会认为CRISPR作物不过是另一种转基因食品？由于CRISPR技术现在才刚开始应用于粮食作物，这些问题还没有在大众中激起波澜，但它很快就会引起公众的关注。
虽然CRISPR技术比传统育种技术更精确，但也并非万无一失。有时，这个精确的剪切工具也会对非目标区域进行剪切，存在“脱靶”的可能，这引起了一些人对该技术安全性的担忧。珍妮弗·库兹马（Jennifer Kuzma）是美国北卡罗来纳州立大学的政策分析师，她从GMO农业起步初期就开始关注与此相关的科学进展与政策变化。她谈道：“精确性是这项技术的优点，但那并不意味着会降低相关的风险。脱靶剪切可能会产生完全不同的危害。”
库兹马预测，那些一直反对基因修饰技术的人，仍不会轻易接受CRISPR食品。她说：“抵制第一代GMO的公众，不可能仅仅因为我们只改变了少量的DNA，就接受第二代基因改造技术。他们还是会把CRISPR食品跟以前的GMO归为一类。”库兹马更关心的是，在越来越多基因编辑食品即将涌入市场的新时代，如何更新整个监管结构，以及在审查阶段吸纳更多的意见。
杨亦农的蘑菇命运又将如何？在他的讲座结束时，种植蘑菇的种植者们除了礼节性的鼓掌之外，对于这个新技术并没有明显的反应和表态。杨亦农也明白这一点，他告诉种植者们：“这种蘑菇能否商业化种植，完全取决于你们。”抗褐变的蘑菇目前还暂时是验证性的实验项目。如果种植者不确信抗褐变蘑菇的价值，或是害怕消费者会抗拒，那么这些经过基因编辑、具有优良性状的蘑菇可能永无面世之日。对于在黑暗中生长的蘑菇，不见天日通常不是件坏事，但对于这项变革性的新技术来说，或许不是什么好兆头。
稿件来源：《环球科学》（《科学美国人》中文版）
撰文：斯蒂芬·S·霍尔（Stephen S. Hall）
翻译：赵瑾