改变农业的发展模式，合成生物企业IGI: 为30亿人提供食物

大家好，欢迎来到IT知识分享网。

当前，有数个团队都在通过CRISPR技术改造植物，以使它们能从空气中吸收二氧化碳（CO2）并储存于土壤中。这些经过基因编辑的植物品种不具有转基因生物（genetically modified organisms, GMOs）表现出来的那些特征。

译者注：转基因植物指利用基因工程技术将从动植物或微生物中分离到的目的基因或特定DNA片段以及合适的调控元件转移到植物的基因组中，转基因植物可能被孵予新性状或改变某些成分。基因编辑植物虽然也用到了基因工程手段，但与转基因植物不同的是编辑后经遗传分离的植物中无外源DNA片段，目前关于基因编辑植物与转基因植物的界限还有所争议，且各国政府对于基因编辑植物和转基因植物的态度也存在差异。

许多研究项目如雨后春笋般不断涌现，旨在增强生物的碳固定能力，从而恢复碳循环的平衡，并防止二氧化碳在大气中的进一步积累。例如，由诺贝尔奖得主詹妮弗·杜德纳（Jennifer A. Doudna）博士创立的创新基因组学研究所（Innovative Genomics Institute, IGI）就在进行着相关的一些工作。2022年6月，陈-扎克伯格基金会（Chan Zuckerberg Initiative）向IGI捐赠了1100万美元，以帮助科学家们找到保护或让生态系统免受人类影响的方法。

下一代农业

IGI的执行主任布拉德利·林格森（Bradley Ringeisen）博士认为，我们必须改变农业的发展模式。“在未来30年内，我们需要为新增的20至30亿人提供食物”，林格森指出，“我们不能继续以现有的农业模式来实现这一目标。这涉及到几代人，我们必须为了地球的未来而行动。另外，农业在碳捕集方面有着巨大的潜力，自现代农业诞生以来的125年里，土壤中已经丢失了数百吉吨的碳。但是，如果对植物进行一些改造，这些作物又可以重新将碳储存回土壤中”。

译者注：1吉吨=10亿吨

IGI以水稻为模式生物开展了研究。“如果我们在水稻上取得成功，那么其它的草本植物也会展现出类似的效果”，林格森预测到，“同时，我们也在努力提高高粱的基因易感性，这是一种深根作物，可以用于碳捕集以及为牲畜提供饲料。此外，它还可以作为生物能源作物，将其地上部分生物量转化为生物油或其他形式的生物能源。我们相信这个研究领域有着广泛的应用前景，可以在许多不同领域产生全球性的影响。”

IGI的项目包括三个工作组，每个工作组都专注于碳捕获的不同阶段：（1）大气中碳的固存（2）碳流向植物根系和根系分泌物（3）碳在土壤中的保留。

为了实现这一目标，IGI设计了一个项目，以对农业碳循环中的不同阶段和层次进行研究，“目前，农民和基因工程师们都还没有将这些过程当做一个整体去考量”，林格森说道：“我们该如何增加产量？我们该如何保护稻谷不受特定病原体的侵害？人们只是抓住了一些很小的点，却没有从整个过程的角度来审视。IGI现在正试图去考虑到整个过程中的每一个步骤”。

光合作用

第一步是利用基因工程或CRISPR基因编辑来调节光合作用的过程。林格森表示，如果要通过农业生物学来进行碳捕集，光合作用是最好的作用对象，因为它可以增加作物的产量以及地上和地下的生物量。“我们寄希望于提高光合作用，这样，我们在提高根部或地下生物量的同时，作物产量也不会受到太大影响”，林格森解释道：“即使产量发生变化，也只会是升高，不管怎样，这一切都始于光合作用”。

IGI团队正在研究许多光合作用基因，这些基因按照其对光和黑暗的响应方式可被分成不同组。加州大学伯克利分校的植物和微生物学教授、霍华德·休斯医学研究所（HHMI）研究员克里希纳·尼约吉（Krishna K. Niyogi）发现了很多可以用来改善光合作用的基因，他的代表性研究是通过阻止光合作用关闭的方式来延长光反应时间。

然而，使用CRISPR进行植物基因编辑的尝试并不理想，加州大学伯克利分校分子和细胞生物学副教授、HHMI研究员大卫·萨维奇（David Savage）解释道：“由于植物倍性的高度演化分化以及难以以组织形式进行培养，使用CRISPR-Cas9系统进行定点编辑显得非常困难。”获得经CRISPR-Cas9敲除的小鼠可能只需要几个月，但相同的工作放到植物身上可能就需要数年。

萨维奇希望能增强CRISPR元件在植物中的递送效果并创建出更有效的编辑器。为此，他设计了一个高通量筛选平台，可以在不需要等待整个植物生命周期的情况下，从无细胞壁的原生质体开始研究。借助这个筛选平台，研究人员不需要再经历从幼苗到成年植株的过程就可以知道基因编辑方法是否起效或是否作用到了合适的基因靶点。萨维奇相信，在该平台的协助下，光合作用的效率能够提高30%到50%。

为了确认水稻愈伤组织的转化成功与否，IGI的研究人员插入了一个红色荧光标记的基因。标记物的表达有助于他们选择经过基因组编辑的幼苗组织。

增加根系深度

所有被捕获的碳都必须有所去处，这就是IGI项目中第二步的关键：植物碳流动。那些没有被用于地上作物生长的额外碳源大部分都会流入地下，并且以根分泌物的形式被排放到土壤中。根系中超过40%的干物质都是由纯碳组成的，这使得根部质量成为评价储碳能力的一个重要属性。

IGI正在专注于增强根系的深度，因为碳被泵入土壤的深度越深，碳留在土壤中的可能性就越大。根据林格森的说法，前几厘米的表层土是碳循环发生的地方，而如果碳流动到了更深层的根部之中，那么碳在这些地方的停留时间就会更长。

加州大学戴维斯分校植物病理学杰出教授帕梅拉·罗纳德和IGI的可持续农业主任布莱恩·斯塔卡维茨合作，创造出了根系更深的水稻和草本植物品种，它们的根系至少比高产品种深30%到40%。罗纳德通过有效地敲除单一基因，创建了数千个水稻突变体库，林格森认为这将是一座信息宝库。林格森表示，这项研究已经筛选出了一批极具潜力的突变体。

“（罗纳德）找到了几个能够影响根深度的基因，但这只是冰山一角”，林格森强调道：“如果专注于突变体库中与根系结构相关的部分，将会有大量新发现。我们早期将着重关注她已经发现的这些机制。”通过对这些突变体进行研究，未来将可能有更多与根系深度相关的基因和过程被发现。

土壤微生物组

项目的第三步主要与已离开植物根部的碳的捕集相关。林格森表示：“我们正努力了解水稻、水稻分泌物以及水稻微生物组间的相互作用机制。我们该如何设计这个系统？CRISPR在设计植物方面能起到哪些帮助？CRISPR是否能够直接设计微生物？以及如何培育微生物组，才能达成我们的目的？这些都是我们正在研究的内容”。

加州大学伯克利分校的土壤微生物学家吉利安·班菲尔德博士在2005年将CRISPR介绍给杜德娜，如今，她（班菲尔德）正在重建能够主动汲取植物分泌碳的微生物组的基因组。她的团队对稻田微生物群的研究可能是目前最深入的研究，班菲尔德将利用这些研究来探索减少土壤碳流失的方法。林格森表示：“减少流失，一方面是阻止温室气体逃逸，另一方面也可以从增加土壤中碳含量的角度来考虑”。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的科学家珍妮弗·佩特·里奇（Jennifer Pett-Ridge）正在与班菲尔德进行合作。佩特·里奇负责追踪微生物群落的组成，以及确定它们在土壤中停留时间的长段。她主要对帮助碳附着在土壤中的无机和矿物沉淀物上的粘性分子进行研究。她认为，根际微生物间的营养互作是一些碳被吸附到矿物表面并形成聚集结构的前提条件。她还研究了涉及胞外多糖和胞外聚合物的一些过程，这些过程往往会在碳含量升高的土壤中频繁发生。

佩特·里奇计划通过由陈-扎克伯格基金会支持的项目，集中研究可用于食品或饲料的作物。她表示，我们对作物有着野生植物所不具备的更强的掌控力，希望将来能够开发出具有更深根系、与更多胞外聚合物物质互作，以及与其生长环境中不同种群发展出更强合作伙伴关系的作物。所有的这些特征都是基于我们目前已知的能够增加碳积累的途径。

IGI从各个角度着手去解决问题，以一种能够增加农民收入的大众可接受的方式去制定解决方案。“我们希望IGI成为促进零碳农场技术发展的中心”林格森说道：“这是未来农业的发展方向”。

参考链接：

https://www.genengnews.com/topics/genome-editing/the-future-of-food-crispr-crops-that-capture-carbon/

—–

作者/捉蝴蝶的猫

编辑/莫十二

关注狗头造物，阅读有趣科普，公众号搜索【iSynBio造物】