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转基因植物中的“自杀种子”在技术上可以实现吗?

本文来自来自知乎提问:https://www.zhihu.com/question/60948200/answer/187797764

可以。

而且并不是啥新技术,20年前就有了。

为了回答这个问题我还专门找来王晋康的《替天行道》读了下,感觉这完全没法称之为「科幻」,只是把一个早已有的技术和个人对于这个技术的态度发展成了这么一篇短篇小说。从后记可以很清楚的看出王晋康的立场:

作者后记: 为避免读者对文中“自杀种子”的知识产生误解,特作以下解释: 美国最著名的一家生物技术公司(姑隐其名)早已大量销售含自杀基因的农作物种子,自杀机理正如文中所述,其专利是以10亿美元从另一家生物技术公司购买的。世界上已经有人担心,这种凶恶的自杀基因会扩散,因而提出“火烧×××”的愤激口号。虽然到目前为止尚未发生这种扩散,但文中所提到的:微生物可以在不同植株中偶然“搬运”基因,却是业已证实的现象。 我们仍生活在一个“人类沙文主义”的时代,科学家们可以任意戕害弱小的自然界生灵而不受惩罚,甚至受到赞许。从前可以勉强为之辩解:科学家们的这些研究是为了全人类的利益呀。现在情况变了。某些科学家开发出使生物“断子绝孙”的危险技术,而且他们只是为了“少数人的私利!——不管这种私利暂时看来是多么合理多么正当。 更令人担心的是,这些科学家仍被视为科学界的精英而不是败类。与这些“精英们”的观念相比,我宁可去信奉中国老农朴素的陈旧的宇宙观。”

这是里面对于「自杀基因」的描述,其中关于这个技术的描述其实基本属实,只不过略有夸张,而且只是说的第一代技术V-GURTs:

“能。基因工程没有办不到的事。这种‘自杀种子’的育种方法是:从其他植物的病株上剪下导致不育的毒蛋白基因,组合到小麦种子中,同时再插入两段基因编码,使毒蛋白基因保持休眠状态。直到庄稼成熟时,毒素才分泌出来杀死新种子。所以,毒蛋白只影响种子而不影响植株。” 常力鸿听得瞪圆了眼睛——这简直是天方夜谭嘛。他不解地问:“如果收获的都是死麦粒,MSD公司又是怎样获得种子呢?” “很好办。MSD公司在播种时,先把种子浸泡在一种特别溶液中,诱发种子产生一种酶来阻断那段DNA,自杀指令就不起作用了。当然,这种溶液的配方是绝对保密的。” “麦粒中有这种毒蛋白,还敢食用吗?” “能。这种毒蛋白对人体完全无害,“你不必怀疑这一点,美国的食品法是极其严格的。”他笑着说,“实际上我只是鹦鹉学舌,深一层的机理我也说不清。甚至连MSD这样顶尖的公司,也是向更专业的密西西比州德尔公司购买的专利。知道吗?单单这一项专利就花了10亿美元!这些美国佬真是财大气粗啊。” “当然!基因工程已经成了神通广大的魔术棒,可以对上帝创造的生命任意删削、拼装、改良。说一个不是玩笑的玩笑,你就是想用蛇、鱼、鹿、虎等动物的基因拼出一条有角有鳞有爪的‘活着’的中国龙,从理论上说也是办得到的。”

在这篇短片小说里,孟山都被狠狠地黑了一把,不过事实是孟山都公司并未将这个商品化过。这是孟山都官网对于这个谣言的声明:

Myth: Monsanto sells “Terminator” seeds. Fact: Monsanto has never commercialized a biotech trait that resulted in sterile – or “Terminator” – seeds. Sharing the concerns of small landholder farmers, Monsanto made a commitment in 1999 not to commercialize sterile seed technology in food crops. We stand firmly by this commitment, with no plans or research that would violate this commitment.

在具体介绍这个技术之前,先稍微补充点植物育种的常识,在很多人的印象里,可能农民将收获的作物种子留一部分来年继续播种好像是天经地义的事情,其实并没有这么简单。 从作物的繁殖方式来看,可以简单将其分成三类 (注:此处是简化的概念,实际情况请参看教科书):1. 异花授粉的作物; 2. 营养繁殖的作物; 3. 自花授粉的作物

异花授粉的作物:比如玉米、黄瓜

其中可以异花授粉的作物,早就被育种家发展出一套被称为「杂交育种」的手段,简单来所就是培育出遗传背景纯和的亲本,然后靠杂交生产F1代的种子销售。因为F1的种子,其遗传背景是杂合的,一旦留种,无论是自交还是杂交,后代都会出现性状分离。 这里大家要是不好理解,可以联想一下高中生物课本里孟德尔豌豆黄圆绿皱的知识,在粮食的生产中,保证品质的稳定是很重要的。 对于这些公司来说,亲本材料可是机密中的机密,毕竟辛苦培育出来的优良性状可都在亲本的遗传物质中。而农民也只能每年从公司购买种子才能保证稳定点种植。

营养繁殖的作物:比如土豆、苹果

这些作物通常基因组杂合,自交会出现性状分离或者自交衰退等问题,而杂交同样会出现性状分离,所以为了保持稳定的后代,在生产中主要通过营养繁殖。 拿土豆来说,农民当然可以留下一些土豆作为来年的种薯,但这样产量就会越来越低,这是因为会有很多病害或者病毒在种薯里积累。所以一般来说,需要购买专业公司生产的脱毒种薯才能保证产量。当然,在南美洲安第斯山脉附近,现在很多当地的农民还是在种植自己的地方品种,反正是自己吃为主,性状分离神马的人家也不在乎。

自花授粉的作物:比如水稻

自花授粉的作物,一般来说农民就可以随便留种了,比如水稻,小麦等等。但是从育种者的角度来说,如果农民都自己留种了,那还赚啥钱啊 就拿大家最熟悉的袁隆平院士的杂交水稻来说吧,这个技术成功的将在生产中只能自交的水稻,成为了可以大规模生产杂交种子,切可以受益于「杂交优势」的物种。 而杂交的种子也是不能留种的。好像也没见过谁因为这事儿来黑袁隆平院士啊; ) 上面的铺垫是为了说明,1. 农民并不是在什么情况下都可以留种; 2. 从育种者的角度来看,希望农民不留种,这样可以增加销售,同时保护自己的种植资源。 下面进入正题。

1. 啥是「自杀种子」?

其实「自杀种子」是这个技术的反对者所给起的名字,大公司倾向于将其称为「技术保护系统」。而在学界,这个技术一般被称为「遗传应用限制技术」(Genetic Use Restriction Technologies, GURTs)。在下文里我将使用GURTs来称呼这个技术。GURTs主要可以分成两类,一种被称作V-GURT ( variety- specific GURT),另一种是T-GURT (traitor specific GURT)。 王晋康在《替天行道》写到的其实就是V-GURT,除了「自杀种子」,这个技术还被反对者称为「终结者」(terminator)。这个技术是使用了对植物有毒的蛋白,在不经过化学诱导剂处理的情况下,种子就会产生这种对自身有害的蛋白,无法正常萌发。 而第二代的T-GURT(traitor specific GURT)也被反对者起来一个外号「背叛者」(Traitor)。T-GURT有两种应用:1. 如果不使用化学诱导物,目标性状的基因就会被切除,这样,公司卖出去的经过处理的第一代种子就可以正常表达性状,而如果农民自己留种,下一代的种子就会丢掉这些优良性状。 2. 在不使用化学诱导物的时候,目标性状处于沉默的状态,所以如果可以留种,但需要每年从公司购买化学诱导物才能继续播种。 GURTs的原理其实并不复杂,它是靠三个分子元件行使功能:1. 阻抑基因(repressor gene),可以响应外源的刺激物; 2. 重组酶基因,其表达在没有化学诱导剂的情况下被阻抑基因抑制 3. 目标基因。下图是一个简化的GURTs示意图。

2. 为啥要开发GURTs技术?

• 技术保护,美国农业部USDA的发言人Willard Phelps曾经在1998年新科学家杂志的采访中说到:我们的技术可以保护未经授权就使用美国的技术,这就和知识产权保护是一个道理。同时这个技术还可以帮助我们开拓发展中国家的市场。(注:这么看当年美帝开发这个技术确实是有「不太道德」的目的的。) • 防止转基因污染,转基因在环境中的扩散一直是反对者的担心的一个重要问题,比如抗除草剂基因是否会导致超级杂草的诞生?而V-GURTs正好可以解决这个问题,因为被污染的种子无法正常表达目标基因。

3. GURTs开发的历史。

  • 1991年,杜邦公司申请了一个专利,是关于靠外源的物质调控诱导性启动子的,可以在植物里靠外源的化学物质控制单子叶和双子叶植物基因的表达。
  • 1992年Zeneca公司(先正达公司的前身之一),申请了一个被称为植物品种改良的专利 (a gene switch which is inducible by external application of a chemical inducer and which controls expression of a gene product which affects expression of a second gene in the genome)。
  • 1998年,真正的「自杀种子」(T-GURTs)技术是英国的研究者Melvin Oliver和Delta& Pine Land (D&PL)公司一起研究的可以让植物自己携带的保护技术。这个技术的目的是保护这些生物科技公司研发出来的种子,使其在未授权的情况下无法繁殖。到了1998年,这个专利被美国专利和商标办公室(United States Patent and Trademark Office (USPTO) )批准。这个技术开始被称为技术保护系统(Technology protection system, TPS),后来在学界被称为遗传应用限制技术(Genetic Use Restriction Technology)。

注:Delta & Pine Land公司,是一家位于美国密西西比州斯科特的美国生物科技公司,是1998年世界上拥有商业棉花种子最多的公司。在美国农业部的财政支持下,他同美国政府一起获得了这项GURTs专利。根据美国农业部和Delta & Pine Land公司的合作协议,Delta & Pine Land公司享有这项技术的排他许可权,而美国农业部将从得到大约5%的使用费。

  • 1998年5月,孟山都公司宣布准备收购Delta & Pine Land公司。
  • 1999年9月,洛克菲勒基金会(Rockefeller Foundation)主席 Dr. Gordon Conway要求亲自在孟山都董事会上发言,他向孟山都要求不在研发GURTs技术或者将其商业化。
  • 1999年10月4日,孟山都的首席执行官罗伯特. 夏皮罗(Robert Shapiro)宣布决定停止GURTs技术的开发以及商业化。
  • 先正达公司在同一时间也宣布暂停GURTs技术的商业化
  • 2000年,D&PL宣称将继续进行「技术保护系统」的实验,而孟山都在2005年试图将这个技术应用于非粮食作物,比如棉花。

4. 关于GURTs的担忧

  • 对发展中国家来说,农民有留种的习惯和需求;
  • 可能对于生物多样性的负面影响;
  • 农民对于作物的选择和育种有利于可持续农业,而这个技术可能影响了这个进程。
  • 会造成大型跨国公司对于种子的垄断,对粮食安全有潜在影响。

5. GURTs的现状?

大家可以放心的是,因为各种舆论和伦理问题,目前这个技术并没有被商业化使用。但是研究一直在继续,这20年多来,有超过40项已经被批准或者提交的GURTs相关的专利,这些专利的持有者包括一些大学,还有一些跨国大公司,比如先正达、拜耳、孟山都、Ceres, 杜邦先锋和巴斯夫。但这个技术其实可以有非常多的应用,而不仅仅是为了「让种子自杀」。比如对于虫害病害的问题,这个技术可以让植物仅仅在特定的时期表达抗性基因,从而尽可能的减少化学农药的使用,以及减少这些抗性基因对植物的负面影响。

写在最后

我在科普转基因这个话题的时候,一直在强调,技术本身是中性的。关键是如何使用以及监管。其实「自杀种子」就是很好的例子,这些在伦理上还没有讨论出结果的技术,就不应该贸然应用,况且这个技术本身并不能造福农民,而仅仅是为了保护大公司的利益·。

“ 若要在坚硬的高墙与击石的鸡蛋之间作选择,我会永远选择站在鸡蛋那一边。” ——村上春树

这次,我也站鸡蛋那边。 但是也请不要因为这些就对技术本身充满敌意,毕竟农业的未来需要各种现代的和传统的经验、技术,以及想象力。

参考资料:

  1. Lombardo, L. (2014) Genetic use restriction technologies: a review. Plant Biotechnology J, 12, 995–1005.
  2. 王晋康《替天行道》