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【專欄】基因組編輯與氣候變化

2020-01-15 16:15
使用CRISPR,基因組編輯的番茄。圖/李界木提供
使用CRISPR,基因組編輯的番茄。圖/李界木提供

政府間氣候變化專門委員會(IPCC),最近發布了其《氣候變化與土地特別報告》,強調農業對環境的影響以及充分利用現有農田,以防止進一步破壞的必要性。如今,地球上約有75%的土地專用於養活世界人口。隨著人口的增加(預計到2050年將達到97億),農田的壓力將加劇。

一些環保主義者說,他們反對基因工程,同時,現代環境運動與有機農業也熱戀。在IPCC關於食品安全的報告中,甚至沒有關於有機農業的內容。這是因為如果你的目標是保護土地,這是最糟糕的耕作方式之一。2017年,瑞士有機農業研究所(一個由有機工業部分資助的組織)的研究人員發現,如果世界完全轉變為有機農業,我們將需要多出16%至81%的土地養活地球人口。

我們需要基因工程來避免氣候變化引起的全球飢餓

IPCC,該報告由來自52個國家的107位專家撰寫。它警告說:「土地是至關重要的資源。」並指出食品價格上漲和世界貧困人口的飢餓狀況。實際上,在所有數字和概率估計值之後,是一個始終存在的真理,氣候變化對窮人和熱帶地區的人們尤其困難。IPCC 得出結論,隨著二氧化碳水平的升高和地球的變暖,溫帶地區的農場(即歐洲和北美等較富裕的國家)的單位產量,實際上將會增加。

真正的破壞將發生在全球南方,這將減少水果和蔬菜的產量,從而使世界上最危險的人群,無論從可用卡路里數量和食物的營養質量而言,都會下降。該報告得出的結論是,某些蔬菜的產量將下降多達30%,非洲的豆類生產農田將減少30%至60%,和多達40%的香蕉種植地區將不再可用。

該報告也指出,高達1.83億多的人將面臨飢餓的危險,由於氣候變化和由此引起食品價格上漲。但是,該報告還特別令人震驚地發現,我們為緩解氣候變化所需的解決方案本身將導致非洲,東南亞和印度的飢餓人口增加約20%。對於居住在赤道附近的人們,這個擁有30億人口的人們來說,那裡沒有什麼好結果。

什麼可以幫助減少農業的全球消失?IPCC報告中經常出現的一種解決方案是作物的「遺傳改良」。該報告強調,通過諸如「來自育種或生物技術的新品種」之類的技術解決方案,提高糧食生產率,將是適應氣候變化的重要組成部分。實際上,該報告明確提到了使用CRISPR-Cas9進行基因組編輯的作物,這是歐洲法院去年剛剛決定禁止的遺傳工具,綠色環保組織和有機農業社區等主要的環保非政府組織,都在意識形態上所反對的。

認識CRISPR

首先讓我先解說CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeat)是什麼?DNA 是生命的藍圖,指揮細胞生產蛋白質,維持人體的生長與運作。當 DNA 的重要位置發生突變,「細胞工廠」運作會失控,就可能造成生理失調,甚至像白血病等重大遺傳疾病。生病了,可以吃藥。但基因突變造成的疾病,藥物只能控制病情。因為藍圖錯了,細胞永遠只能製造錯誤的蛋白質。想要根治,最好直接更正藍圖,修改 DNA。基因編輯,可以從源頭下手,找到錯誤的 DNA 片段,用一把分子「剪刀」(Cas9)切開,剔除這個錯誤的基因,或是在缺口處「貼上」正確的 DNA 片段。所以首要有一把精準、能夠剪開 DNA 雙螺旋的好剪刀,CRISPR 就是當前最好用的一把。

基因編輯之類的創新生物技術,有望通過它,使農場能夠在更少的土地上和更少的資源上,種植更多的食物,來減緩農田的擴張。儘管它遠非萬能藥,但即使面對氣候變化,基因編輯的潛力也可以使每英畝土地變得更有生產力,這吸引了植物科學家,農業科技產業,以及政府的想像力。如今,他們越來越重視CRISPR的能力,以確保未來的世界糧食供應,不受日益不可預測的環境威脅的影響。

CRISPR被認為是用來切割和編輯DNA的「分子剪刀」,但是研究人員現在的目光遠遠超出了這些應用。在一項新的全面綜述中,他們探索了作物中CRISPR的當前狀態,以及科學家如何面對氣候變化,疾病和害蟲,以非傳統方式增強傳統育種技術,以應對不斷增長的人口。探索了作物中CRISPR的當前狀態,以及科學家如何使用CRISPR以非傳統方式增強傳統育種技術,目的是確保全球糧食和營養安全並養活不斷增長的人口面對氣候變化,疾病和害蟲。

近年來,作物工程領域的創新有從木薯植物產生更好的抗致命疾病的澱粉,香蕉和茄子,到富含維生素的大米和微量營養素。具有遠見卓識的科學家,在氣候智能型農業上的應用,由政府資助,由基因組編輯的作物,這些作物使用當地的作物品種並與低化學投入形式的農業兼容。個人認為,這一願景值得環境運動和有機農業社區的支持,正如IPCC指出的那樣,如果我們要適應氣候變化,這是必要的。

珊瑚的治療方法

得克薩斯大學的科學家發現了一種珊瑚中的一種基因,該基因在珊瑚受到熱脅迫時會被激活。氣候變化導致的溫暖水域通常導致受壓的珊瑚,以所謂的漂白過程,將其賴以生存的藻類驅逐出能源,導致珊瑚大量繁殖。科學家認為,該基因存在於許多珊瑚物種中,希望能在漂白之前,檢測到受壓的珊瑚,從而使他們能夠優先保護這些物種。

氣候友好型奶牛

研究人員發現,可以有選擇地飼養奶牛,以使其對環境更加友好。奶牛的第一個胃(瘤胃)中微生物產生的甲烷量受奶牛的遺傳構成影響。阿德萊德大學的約翰․威廉姆斯教授說,這意味著我們可以選擇永久性產生較少甲烷的牛,這對減緩全球暖化將很有貢獻。

CO2-智能工廠

加利福尼亞州的科學家正在開發一種「理想工廠」,可以幫助減緩全球升溫。這種超級植物旨在吸收空氣中的二氧化碳,並將其作為富含碳的,類似軟木塞的物質,沉積在根中,稱為木栓質(Suberin)。 它耐分解,可將CO2長期儲存地下。

大水稻

哥本哈根大學的一個研究小組去年鑑定了一個基因,該基因可使水稻對抗洪澇和乾旱,從而使葉片表面被蠟晶包裹,從而排斥水分。在乾旱期間,這可以防止水分因蒸發而流失;在洪水中,蠟狀表面會保留幾天的薄薄氣體,以防止大水稻淹死。科學家旨在操縱該基因以提高長期的耐洪能力。

生物燃料細菌

2018年,新加坡國立大學的科學家發現了一種能夠將植物物質轉化為生物丁醇的細菌菌株:一種可用於汽車發動機,而不是汽油的生物燃料。現在,研究人員正在對細菌進行基因改造,以提高生物丁醇的轉化效率。

全面回顧作物中CRISPR技術的未來

當人們想到CRISPR時,他們想到的是基因組編輯,但事實上CRISPR實際上是一種通用系統,它使你可以從事很多事情來靶向,募集或促進DNA中已經存在的某些方面。你可以通過使用CRISPR來調控某些基因的激活或抑制,而不是將其用作切割工具,而是將其作為結合工具,來吸引激活劑或阻遏物,以誘導性狀。我們稱這種基因改組。這樣做的目的是,使非常重要的性狀基因彼此靠近,從而在物理上和基因上,將它們聯繫起來,因此它們在傳統的雜交中總是緊密結合在起,從而使選擇具有所有所需性狀的農作物更加容易。

這包括將CRISPR應用在動物和人類中,並將其應用於作物的過程。例如,CRISPR技術已經通過使用成千上萬的指導分子文庫增強了對人類健康中的基因和性狀的篩檢,這些分子專門針對基因組規模的選定基因集而設計。該系統可潛在地用於植物中篩選,有助於病蟲害抗性,適應力和農作物產量的性狀。這不僅有助於育種,而且還可以更輕鬆地對基因功能進行分類。大多數情況下,這些研究都是在人體細胞中完成的,而農作物則落後。

基因編輯可以帶來以下三種解決方案,以應對氣候變化挑戰,以及如何幫助農民充分利用現有土地:

保持土地健康:農業對土地造成了損失。在每個生長季節,地球上都會吸收越來越多的養分,這些養分對作物的生長至關重要。結果,農民將耕種到土地上以恢復土壤健康,但這會將碳釋放到大氣中。農民通常也會使用肥料來補充營養不足。然而,由於基因編輯,研究人員正在對泥土中的微生物進行改造,以將更多的關鍵營養素(如氮)輸送到植物。

事半功倍:隨著人口的增長,農民可能會被迫使用條件不佳的土地來種植農作物。幸運的是,通過基因編輯,我們可以增強植物在這些區域的生長。目前,美國的一個研究小組正在努力提高可以在邊緣土壤上生長的水稻品種。隨著可耕地面積的減少,種植水稻等主糧的能力將變得越來越重要。

彈性農作物:氣候變化的影響已經存在。流行的食物,例如橙子和咖啡,已經成為疾病傳播的受害者,而溫暖地區加速了該疾病的傳播。借助基因編輯,我們可以開發出抗病作物,這些作物可以抵抗疾病並在溫暖的世界中茁壯成長。增強了抗病能力的農作物,並不是什麼新鮮事物,但是,與傳統育種相比,基因編輯技術的進步,使研究人員能夠在很短的時間內,開發出這些性狀,而傳統育種可能需要數十年。

如果要在一個溫暖的世界中養活不斷增長的人口,我們必須接受諸如基因編輯之類的創新,以使農民少花錢多辦事。


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