CRISPR能养活全世界吗？

拉里·布莱克跪在沙土里，旁边是一棵枝繁叶茂、果实成熟的橘子树，他额头在佛罗里达炽热的阳光下闪闪发光。他捏起一小枝嫩叶，拿到眼前。“你看到它了吗？”布莱克说。“它很小。”一个灰蒙蒙的小点飞走了。那是亚洲柑橘木虱——比一粒米还小，但足以可能摧毁佛罗里达的柑橘产业。

这棵树黄斑的叶子显示出柑橘种植者已经习以为常的症状。它生病了。这个州几乎所有成熟的柑橘树都生病了。

布莱克家族自19世纪50年代以来就在这里种植橘子。五代人以来，他们面对过飓风、霜冻和害虫。但在过去十年左右，他们眼睁睁地看着这种微小的虫子成为他们最严重的灾难，通过传播一种名为柑橘黄化病（HLB）——又称黄龙病——的疾病，使该州标志性的橘子树遭到严重破坏。

“在黄化病之前，种植者种下一片果园，期望它们能活一代人，”在米德堡经营和平河包装公司的布莱克说。“而现在这已经不再是现实了。”

站在布莱克旁边的是佛罗里达大学的柑橘育种家和遗传学家弗雷德·格米特。他的皮肤饱经风霜，布满雀斑，几十年来在像这样的果园里行走磨砺而成。

格米特摘下两片叶子，伸出手。他解释说，导致柑橘黄化病的细菌——亚洲韧皮杆菌（Candidatus Liberibacter asiaticus）——会侵入并阻塞植物的韧皮部——内部糖分循环的管道系统。糖分滞留在叶子中，干扰光合作用。根部会挨饿。存活下来的树通常会结出酸涩、畸形的果实。

“这就像原子弹在树里爆炸一样，”格米特说。

在1997年产业鼎盛时期，佛罗里达近100万英亩的柑橘种植面积可以覆盖罗德岛州。种植者收获了惊人的2.44亿箱。今年的预计产量：4600万箱，是二战以来最差的，这要归咎于黄化病和飓风伊尔玛的双重打击。美国农业部已花费近5亿美元抗击这种疾病，但如今，你冰箱里的那罐橙汁很可能掺杂了巴西橘子。

但佛罗里达州的种植者看到了希望。在病树和枯树中，格米特发现了一些强大的幸存者。这些树仍然会被感染，但症状较少，并能长出健康的果实。科学家们正在它们的基因中寻找治愈方法。

“对于这个行业来说，免疫力才是他们追求的。那是长远的目标，”该州最大的种植商之一南方花园柑橘公司的首席研究员蒂姆·埃里希说。“而免疫力可能通过某种基因技术实现。”

当你走进当地超市的果汁区时，你会发现一瓶又一瓶印有“非转基因”字样的产品。这意味着里面的成分的DNA没有经过科学编辑，不包含外来遗传物质。但尽管有这些标签，许多种植者认为，如果没有包含转基因生物（GMOs）的解决方案，他们将无法长期生存。

“十年内，可能就没有橙汁了，”加州大学伯克利分校的植物病理专家布莱恩·斯塔斯卡维奇说。“所以你问人们，你是想要转基因橙树，还是不想喝橙汁？自己选。”

选择可能并非如此非黑即白。一种名为CRISPR的新基因编辑技术让科学家能够以一种更自然的方式创造基因突变，而且比以前的技术更快、更便宜。

“它与经典的转基因不同，我们没有添加来自其他生物体的基因组，”格米特说。相反，通过敲除一些现有基因，研究人员正试图培育出一种对黄化病有抵抗力的树木。

这项技术细节——它不是转基因的，不像把鱼基因植入番茄——正促使美国政府监管机构采取不干预的态度。虽然尚未公布最终决定，但到目前为止，监管机构表示，经过CRISPR编辑的作物是非转基因的。农业产业可以享受到基因改造的益处，而无需承担污名。

受感染的不仅仅是橙子。病虫害每年毁坏高达全球30%的作物。从香蕉、番茄到小麦、水稻和土豆，许多常见的食物都面临危机。而这些灾害对发展中国家的影响尤为严重，因为化肥、农药和基因工程要么无法获得，要么成本过高。

现代食品采用单一种植模式——作物基因高度相似——以方便收割。但这也就意味着，一旦发生病害，所有植物都会生病。此外，全球化意味着疾病传播速度更快、范围更广，而气候变暖则可能吸引害虫进入新的地区。与此同时，农民必须在2050年前增产70%的卡路里，以养活约100亿人口。

CRISPR可以帮助解决这些问题。

转基因的民主化

格米特仍然记得2005年的一天，当时州农业工作人员在迈阿密国际机场附近的一个后院发现了柑橘黄化病。甚至在黄化病到来之前，佛罗里达的种植者就已经对此感到担忧。一个世纪前，这种病害曾摧毁了中国的果园。

随着它在佛罗里达州——以及巴西、中国和数十个其他国家——蔓延，格米特和一个由国际柑橘科学家组成的小团队说服行业团体给了他们大约600万美元来测序橙树的基因组。“如果我们有了柑橘树的蓝图——如果我们有了基因目录——这就会成为一个工具箱，”格米特回忆当时的想法。他希望在那个工具箱里找到解决方案。

到2011年他们发布第一个柑橘基因组序列时，测序技术的成本已经急剧下降。第二年，一种彻底改变基因工程生命的新方法——CRISPR——诞生了。

每当病毒攻击细菌时，这些细菌都会将入侵者的一小段DNA保存在它们的基因组中。它们利用这段片段作为一种“嫌犯照片”，以便在病毒再次入侵时识别并清除它。加州大学伯克利分校的分子生物学家詹妮弗·杜德纳与法国生物学家埃曼纽尔·沙尔庞捷合作，发现这种天然防御系统也可以用作一种DNA剪刀。这种工具，被称为CRISPR-Cas9，能够以令人难以置信的效率进行靶向和切割。

到目前为止，人们的关注焦点主要集中在对抗人类疾病上，例如去年一个由美国科学家主导的团队修正了人类胚胎中导致心脏病的基因。但CRISPR已经远远超出了生物医学领域的突破。例如，宾夕法尼亚州立大学的研究人员编辑了一种常见白口蘑的基因，使这种真菌能够抵抗褐变。在畜牧业方面，密苏里大学的生物学家利用CRISPR培育出一窝猪，这些猪不受每年给该行业造成6亿美元损失的疾病的侵害。

数亿美元正投向农业应用。从杜邦先锋到孟山都，各大种子公司都在努力从中获利。但植物病理专家表示，真正的革命将在于基因编辑被用于那些被大型农业公司忽视的作物。

杜德纳将CRISPR视为基因改造的民主化，甚至可以在我们的后院花园里种植基因编辑植物。“它是一种非常容易获得的技术，”她说。去年，加州大学伯克利分校创新基因组学研究所（IGI）——由杜德纳共同创立的实验室——启动了一项1.25亿美元的倡议，旨在将CRISPR应用于农业和医学以外的其他领域。“CRISPR在农业中的应用可能比在人类生物学中更多，”杜德纳聘请领导IGI作物工作的斯塔斯卡维奇说。

一细胞植株

斯塔斯卡维奇说，育种者花费了一个多世纪进行遗传杂交以提高抗病性，但科学家们直到最近才弄清楚其工作原理：植物和动物都依赖一类主要的抗病基因。

许多细菌疾病通过科学家们称之为三型分泌系统来感染植物。这是一个相当无聊的名字，指的是一种强大而具有破坏性的小分子机器。这台机器的主要目的是注入蛋白质，以解除植物免疫系统的武装。但这场战斗并非完全一边倒。一旦抗病基因被激活，它们就会触发一系列效应来对抗感染。

你可以通过杂交获得这些抗病性状，但这样做也会引入可能降低作物产量的基因。CRISPR的精确性使得科学家可以从植物的亲缘植物——无论是野生的还是驯化的——中选择特定的基因，并只插入所需的性状。科学家也可以简单地敲除导致植物易感疾病的基因。

最大的挑战之一是如何将CRISPR组分导入种子。在IGI的一个新落成的实验室里，植物科学家Myeong-Je Cho正试图弄清楚如何将CRISPR应用于植物种子，包括来自可可树的种子，这种树正受到一种疾病的严重阻碍，这种疾病威胁着发展中国家的生计。在2016年加入IGI之前，Cho曾在农业公司杜邦先锋工作。IGI聘请他正是因为他将CRISPR应用于种子研究的方法。

过去的技术是利用农杆菌将CRISPR插入细胞，这种细菌也可以携带剪刀切割的位置。但这种方法仍然是转基因的。Cho的方法直接将CRISPR放入细胞。Staskawicz说这是一个重大进展。

为了演示，Cho拿起手术刀，解剖了一朵小花。他穿上白色实验服，靠近他的首选武器：基因枪。没有手枪握柄或扳机；它只是一个装着一盘植物胚胎的微型盒子。与子弹不同，这把枪发射数十万个涂有CRISPR成分的金颗粒。他扣动扳机——砰！——它们像霰弹枪一样飞溅。这些颗粒穿透数英寸以下的植物细胞，输送CRISPR。

“如果你在显微镜下看，会看到很多很多孔，”Cho说。

这项技术依赖于植物细胞一种非凡的能力，即全能性。在人类中，只有干细胞能够变成任何身体部位。但对于植物来说，每一个细胞都能形成所有部分。

“一个单细胞有可能长成一整株植物，”Cho说。

如果Cho能让CRISPR在可可和其他植物上发挥作用，那么这些新品种将保留其亲本的相同特性——数千年育种的精炼产物——但排除那些使作物易受疾病影响的基因。完成基因枪操作后，Cho展示了闪闪发光的冰箱大小的培养箱，里面堆满了培养皿。每个完美堆叠的容器里都有一团看起来像预嚼食物的东西。许多都长出了小小的绿色嫩芽，它们将长成转基因西兰花、大米、小麦、可可、辣椒和番茄。每一个都是IGI解决各种作物问题努力的一部分。

“这项技术既强大又简单，”Staskawicz说。“很多人都能做到，而且不需要昂贵的设备。”

转基因食物恐慌

我们大多数人都没有想过，但我们每天都在吃转基因食品。几乎所有美国种植的玉米和大豆都来自转基因种子。这两种作物被用作甜味剂和填充剂，存在于各种各样的加工食品中。

推着你的购物车在超市里转一圈，你会经过一排又一排的转基因食品，比如面包、麦片和饼干，以及酸奶、牛奶和肉类。甚至奶酪也是由基因工程凝乳酶——使牛奶凝结的酶——而不是传统动物胃中的凝乳酶制成的。

但就在20世纪90年代中期，经过基因工程改造的玉米和大豆上市后不久，“转基因”一词就与农药和专利种子的问题纠缠在了一起。这其中自有道理。第一波基因工程食品完全是为了满足农民的需求（例如能抵抗农药并提高产量的作物）和公司的利润（通过销售这些农药）。

柑橘黄化病

其他名称：黄龙病（HLB），黄龙病。

病原：亚洲韧皮杆菌（Candidatus Liberibacter asiaticus）细菌，由亚洲柑橘木虱传播。

受影响：柑橘类植物，包括橙子、葡萄柚、柠檬、酸橙和橘子。

症状：新梢发黄；深色败育种子；叶片出现斑驳或不均匀的变色；成熟果实小、硬、畸形、部分绿色并过早从果柄脱落；味道苦涩。

治疗方法：无。受感染的树通常在几年内死亡。

Ernie Mastroianni/Discover公众的厌恶创造了一种奇怪的超市现实——农产品区成了无转基因区。农业界确信我们会接受加工食品中的基因工程，却会排斥转基因的完整食品。

有一个例外：木瓜。大约30年前，夏威夷的木瓜产业——就像今天的柑橘产业一样——被一种无法阻挡的疾病摧毁。康奈尔大学的科学家丹尼斯·贡萨尔维斯研制出了一种能够抵抗病毒的转基因木瓜，并且免费发放了种子。这种植物拯救了整个产业。

有趣的是，调查显示美国人并不确定他们对转基因生物的看法。2016年皮尤民意调查显示，绝大多数人对这个话题只“略知一二”或“一无所知”。大约一半的美国人认为他们食用了一些或没有食用任何转基因食品。但在16%表示他们非常关心转基因生物的人群中，看法大多是负面的。尽管科学界普遍认为——包括国家科学院2016年发布的一份大规模报告——转基因生物是安全的，并且营养成分与传统作物相同。

市场营销并未消除这种污名。“非转基因”标签装饰着各种产品，无论是否存在转基因版本。甚至连橙汁行业——其农民正在资助转基因解决方案——也在容器上贴上标签。

“（食品生产商）将其视为一种收入驱动因素，”南方花园柑橘公司研发副总裁蒂姆·埃里希说。“这就是为什么我们看到非转基因喜马拉雅盐，而我上次看的时候，氯化钠没有DNA。那是一种营销手段。那也是一种教育手段。但人们就是会购买。”

这让植物科学家感到困惑，他们认为基因编辑有潜力解决各种疾病，从作物病害到农药过度使用。

“这才是真正的问题：我们需要食物，”斯塔斯卡维奇说，他指的是世界不断增长的人口。“而且你必须以某种环境可持续的方式来做这件事。你必须真正减少农民的投入——比如农药和化肥。这些东西都助长了全球变暖。”

一个警示故事

分子生物学家戴安娜·霍瓦特明白将转基因农产品推向市场有多么困难。她放弃了风险投资工作，共同创立了非营利组织2Blades。她的目标是将植物病害突破从实验室推向田间。

2004年，她找到了一个“好”转基因的典范。番茄种植者一直在与一种名为细菌性叶斑病的疾病作斗争，这种疾病会使植物萎缩。种植者试图用含铜喷雾剂来控制它，尽管这种细菌现在已经产生了抗性。

但是辣椒，作为番茄的近亲，含有一种能使其对这种疾病免疫的基因。斯塔斯卡维奇的实验室找到了一种将该基因插入番茄植株的方法，使其获得了免疫力。在田间试验中，佛罗里达的农民在不使用传统化学品的情况下获得了更多的食物。然而，转基因番茄并没有成功。获得美国农业部的批准费用昂贵，而且种植者不愿冒险种植公众可能拒绝的作物。

但是经过CRISPR编辑的食品不需要美国农业部的批准。监管机构表示，宾夕法尼亚州立大学的不褐变蘑菇不是转基因食品，因为没有“引入遗传物质”。

当然，消费者的情绪仍然可能阻止经过CRISPR编辑的作物。即使美国法律不要求明显的转基因标签，种植者也迅速放弃了2Blades的番茄。

柑橘可以提供一个案例。一些佛罗里达州的种植者已经将他们的柑橘田卖给了开发商，而另一些则干脆放弃了他们的果园。但那些仍然坚持下去的人——比如佛罗里达州的种植者布莱克——对包括CRISPR在内的最新技术都了如指掌。“大多数种植者都期待着基因解决方案，”布莱克说。

CRISPR的希望

在佛罗里达大学位于莱克阿尔弗雷德的百年柑橘研究与教育中心（CREC），微生物学家王年局促的办公室外，一群年轻科学家正在实验台前辛勤工作。这栋建筑的部分历史可以追溯到20世纪30年代。然而，在这些拥挤而有些过时的空间里，王年和他的团队却突破了科学知识的极限。

植物遗传学随时间演变

人类改造食物已有数千年历史。

公元前10,000年以上 | 第一批农民 人类开始驯化植物作为食物。

20世纪初 | 植物育种成为科学 罗兰·比芬爵士通过杂交培育出抗病小麦。科学家现在可以根据性状进行选择，而不仅仅是依靠偶然。

1994年 | 第一个商业转基因产品 Calgene（现归孟山都所有）推出慢熟Flavr Savr番茄。它受到消费者的欢迎，但很快因成本高昂等原因被取消。

1999年 | 反对声浪高涨 康奈尔大学一项研究暗示转基因玉米花粉危害帝王蝶。美国农业部的实验驳斥了这一发现，但这种观念依然存在。

2003年 | 新规出台 欧盟通过了严格的转基因生物法规。许多欧盟国家后来禁止种植转基因作物。

2012年 | 新编辑技术 科学家展示了他们可以用CRISPR编辑基因，并于次年将其应用于植物。该方法超越了现有技术。

2016年 | 无差异 国家科学院一项为期两年的研究发现，转基因生物与非转基因生物在健康或环境风险方面没有显著差异。

所有柑橘植物在基因上都非常相似，但这并不意味着基因组简单。王年的团队发现运用CRISPR的DNA剪刀技术具有挑战性。“柑橘不是模式系统，”帮助王年和其他柑橘科学家在中心核心转化实验室进行实验的弗拉基米尔·奥尔博维奇说。“它是一种非常复杂的作物。”

讽刺的是，科学家们尚未能在实验室中培养出引起黄化病的细菌，这使得研究更加困难。另一个障碍是黄化病是一种相对较新的疾病。格米特和他的同事研究了柑橘的进化史。他们的结果表明，尽管这种植物在几千年前首次在亚洲被驯化，但黄化病直到近几个世纪才出现。这种疾病是如此之新，以至于即使野生树木也无法免疫。

但奥尔博维奇说，如果他们能让CRISPR在柑橘这种复杂的系统上发挥作用，那么他们的方法对编辑其他作物也可能非常有用。在过去一年中，他们取得了突破。王年的团队已经确定了13个可能导致柑橘易受黄化病影响的基因。他的团队现在正试图用CRISPR敲除这些基因。

“我们真的不知道哪个是正确的，”王年说。“所以我们把它们都试一遍，希望其中一个能成功。”

每编辑完一株植物，他们的劳动成果就被存放在隔壁的一个临时孵化室里。房间里一片狼藉。杂货店货架上的培养皿和小瓶子堆积如山，上面摆着各种家用植物生长灯，照耀着这些看起来像预嚼食物的混合物。其中一个用塑料薄膜和橡皮筋密封的小瓶子里，一株柑橘幼苗可能是一个产业的救星。但这需要一段时间才能知晓。

柑橘树需要数年才能成熟。在编辑完一棵橘子树的细胞后，王年的团队将不得不等待长达两年的时间才能让这棵植物接触柑橘黄化病。只有到那时，研究人员才能知道这棵树是否免疫。即使如此，他们还得再等几年，等这棵免疫植物结出果实，以确保橘子的味道仍然很好。

但王年的工作给这个行业带来了一些希望。离他办公室不远的地方有一个名为“方舟”的温室储存库。这里是幼苗长出小瓶后的去处。在里面，王年展示了一棵健康的幼年柑橘树。他的团队利用CRISPR使其对柑橘溃疡病具有抵抗力，这种疾病比黄化病更容易解决。

农业现实

在莱克阿尔弗雷德实验室以南约一小时车程处，布莱克将他的皮卡停在一片新种植的树林前。这些是“糖铃”和“宾果”，是为与加州甜心竞争而培育的新品种。

他等不起CRISPR解决方案；他必须今天就种植，而这些品种对黄化病更具耐受性。如果他能让这些树存活15年，他仍然可以通过种植柑橘获利。

他最近差点失去它们。飓风伊尔玛过后，布莱克回来发现时速90英里的强风吹倒了4000棵幼树。他的公司不得不重新固定每一棵。但布莱克耸耸肩，回忆起几代人以来重塑这个产业的灾难。

“这就是农业，”布莱克说。“事情就是这样发生的。今天的问题总是看起来比以前所有的都更糟。”