为了养活迅速增长的人口，世界必须找到促进粮食生产的方法。通过常规植物育种提高作物产量是低效的 - 结果是不可预测的，并且可能需要数年到数十年才能创造出新的菌株。另一方面，强大的转基因植物技术可以快速产生新的植物品种，但它们的采用一直存在争议。许多消费者和国家拒绝转基因食品，尽管广泛的研究证明它们是安全的。

但是现在称为CRISPR的新基因组编辑技术可能提供了一个很好的选择。

我是一个植物遗传学家，我的首要任务之一是开发工具来安排木质植物如柑橘树，可以抵御黄龙病，黄龙病(HLB)，它摧毁了世界各地的这些树。该疾病于2005年首次在佛罗里达州检测到，导致该州90亿美元的柑橘产量大幅减产，导致其2017年橙子产量下降75%。由于柑橘树生产水果需要5至10年，我们的新技术-已被许多主编提名为2017年具有改变世界潜力的开创性方法之一 - 可能加速非转基因柑橘树的开发这是HLB抗性的。

基因改造与基因编辑

你可能想知道为什么我们用新的DNA编辑技术创造的植物不被认为是转基因植物?这是一个很好的问题。

转基因是指以不会通过进化自然产生的方式改变的植物和动物。一个非常明显的例子涉及将一个基因从一个物种转移到另一个物种，以赋予该生物体新的特性 - 如害虫抗性或耐旱性。

但在我们的工作中，我们并没有将动物或细菌的基因切割并粘附到植物中。我们正在使用基因组编辑技术通过直接重写植物的遗传密码来引入新的植物性状。

这比传统育种更快，更精确，比转基因技术争议少，并且可以减少为农民开发新作物品种所花费的时间甚至数十年甚至数十年。

另外还有一种动机可以选择使用基因编辑来创造设计作物。2018年3月28日，美国农业部长桑尼·珀杜(Sonny Perdue)宣布，美国农业部不会对通过基因组编辑等新技术开发的新植物品种进行管理，这些新技术将产生与通过传统育种方法开发的植物难以区分的植物。相比之下，包含来自另一生物的基因(例如细菌)的植物被认为是GMO。这是为什么许多研究人员和公司希望在可能的情况下在农业中使用CRISPR的另一个原因。

改变植物蓝图

我们使用的基因编辑工具叫做CRISPR - 代表“Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats” - 并且改编自细菌的防御系统。这些细菌CRISPR系统已被修改，以便像我这样的科学家可以编辑植物，动物，人体细胞和微生物的DNA。该技术可用于多种方式，包括纠正导致疾病的人类遗传错误，设计用于疾病研究的动物，以及创造可加速作物改良的新型遗传变异。

为了使用CRISPR向作物植物引入有用的性状，我们需要知道控制特定性状的基因。例如，先前的研究表明，一种叫做赤霉素的天然植物激素对植物高度至关重要。GA20-ox基因控制植物中产生的赤霉素的量。例如，为了创造一种“低割草频率”草坪草，我们正在编辑DNA - 改变构成该植物基因的DNA序列 - 以减少所选草坪中GA20-ox基因的产量草。使用较低的赤霉素，草不会长得高，不需要经常割草。

CRISPR系统源自细菌。它由两部分组成：Cas9，一种可以剪断DNA的小蛋白质，以及一种RNA分子，可作为编码植物DNA中新特性的模板。

为了在植物中使用CRISPR，标准方法是将编码CRISPR-Cas9“编辑机”的CRISPR基因插入植物细胞的DNA中。当CRISPR-Cas9基因活跃时，它将定位并重写植物基因组的相关部分，从而产生新的性状。

但这是一个捕获22。因为要用CRISPR / Cas9进行DNA编辑，首先必须用外源CRISPR基因改造植物 - 这将使它成为GMO。

非转基因作物的新战略

对于玉米，水稻和番茄等一年生作物，它们在一年内完成从发芽到种子生产的生命周期，可以很容易地从编辑的植物中消除CRISPR基因。那是因为这些植物产生的一些种子不携带CRISPR基因，只是新的特征。

但对于需要长达10年才能达到花卉和种子生产阶段的多年生作物而言，这个问题要复杂得多。等待没有CRISPR基因的种子需要很长时间。

我在康涅狄格大学的团队和南京农业大学，江苏省农业科学院，佛罗里达大学，湖南农业大学和加州大学圣地亚哥分校的合作者最近开发了一种方便的新技术，使用CRISPR可靠地创造了理想的产品。在没有引入任何外来细菌基因的作物植物中的特征。

我们首先用CRIPSR基因改造了一种天然存在的土壤微生物，土壤杆菌。然后我们从植物中取出嫩叶或拍摄材料，将它们与培养皿中的细菌混合，让它们一起孵育几天。这使细菌有时间感染细胞并传递基因编辑机器，然后改变植物的遗传密码。

在一些农杆菌感染的细胞中，土壤杆菌基本上作为特洛伊木马，将所有编辑工具带入细胞，而不是将植物设计为拥有自己的编辑机器。因为细菌基因或CRISPR基因不会成为这些细胞中植物基因组的一部分 - 而只是做基因编辑工作 - 任何来自这些细胞的植物都不被认为是转基因生物。

几天后，我们可以从编辑过的植物细胞中培育植物。然后需要几周或几个月的时间来种植可以在农场种植的经过编辑的植物。困难的部分是弄清楚哪些植物被成功修改。但我们也有解决这个问题的方法，并开发了一种方法，只需两周时间即可识别已编辑的植物。

基因设计的草坪

编辑植物与人类细胞之间的一个显着差异在于我们并不关心编辑拼写错误。在人类中，这种错误可能导致疾病，但植物中的脱靶突变并不是一个严重的问题。许多已发表的研究报告，与动物系统相比，在植物中观察到低至可忽略的脱靶活性。

此外，在将任何植物分配给农民在其田地中种植之前，将仔细评估编辑过的植物在生长和发育中的明显缺陷或它们对干旱，极端温度，疾病和昆虫攻击的反应。此外，编辑过的植物一旦被开发出来的DNA测序就可以很容易地鉴定出任何显着的不希望的脱靶突变。

除了柑橘，我们的技术应适用于大多数多年生作物，如苹果，甘蔗，葡萄，梨，香蕉，杨树，松树，桉树和一些一年生作物，如草莓，马铃薯和甘薯，不经使用而繁殖种子。

我们还看到基因组编辑技术在农业，园艺和林业工业中使用的许多其他植物中的作用。例如，我们正在创造需要较少肥料和水的草坪草品种。我打赌你也会这样。