“以霸制霸”，精准打击“入侵者”！
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图片依次是凤眼莲、加拿大一枝黄花、马缨丹、五爪金龙（图片来源：国家植物标本资源库）
奈何它们长错了地方……在我国，它们都有一个让人头疼的名字：入侵植物。
随着国家和地区间的交往日益频繁，生物入侵已经成为全球性环境问题。我国也成为了遭受外来生物入侵危害最严重的国家之一。《2019中国生态环境状况公报》显示，我国已发现660多种外来入侵物种。而在2020年出版的《中国外来入侵植物志》中，记录了多达68科224属402种入侵植物。
这些外来入侵植物往往能“称霸一方”。不仅严重威胁着本土物种的生存空间，破坏当地生态平衡，还可能威胁着当地动植物种群甚至是人类的健康。
例如，紫茎泽兰繁殖力极强，能释放多种化感物质来抑制周围经济作物生长，快速侵占农田、林地和牧场1。此外，紫茎泽兰的种子和花粉携带的冠毛一旦进入牛、马的眼睛或鼻腔，可导致糜烂流脓，并引发哮喘或组织坏死；又因含有刺激性化学物质和一些尚不明确的有毒物质，它的花粉还会引起人类哮喘、过敏，给公共健康带来严重威胁2。
紫茎泽兰（图片来源：veer图库）
人工拔除这些入侵植物费时费力，而施用化学除草剂又会波及到周围的动植物，并容易引发抗药性，那有没有可能直接改变它们的基因，从遗传层面上更有效地控制这些入侵植物呢？
有些基因特别“霸气”，
利用它能打破自然选择规律
理论上，我们可以利用基因组编辑技术降低它们的繁殖能力，或恢复它们对除草剂的敏感性。然而这些都是不利于植物自身生存的性状，即便我们在实验室里“打造”出了我们想要的性状，它在群体中的传播也会受限于达尔文自然选择规律。
也就是说，植物不会把对自身不利的基因传播开来，因此我们希望传播的威胁植物生存的基因最终会在自然选择的作用下被淘汰。那么，有没有一种方法能够打破自然选择规律，让“不利”的基因成功地扩散开来呢？
自然界中的一些“霸气”基因为科学家们提供了灵感。例如一种叫做归巢核酸内切酶的基因（homing endonuclease genes，HEG），能够识别并切割不含HEG的同源染色体并将自身复制过去，从而从杂合体转变为纯合体，这一过程便叫做归巢（homing）3。如果这一过程发生在生殖细胞中，HEG便能够100%地传递给后代。
这类能够以高于孟德尔遗传的比例（即杂合体中以超过50%的概率）传递给后代的基因元件也被称作基因驱动（gene drive）3。在经典的孟德尔遗传方式中，每对等位基因会各自以50%的概率公平地传递给后代，而基因驱动元件却能够“霸气”地传递到超过一半甚至是全部的后代中，通过超孟德尔遗传的方式实现在群体中的快速扩散。
受天然存在的基因驱动元件的启发，科学家们设计出了人工合成的基因驱动工具，同样可以实现超孟德尔遗传。例如类似于上述HEG复制机制的人工合成homing驱动4，通过借助基因组编辑技术更加灵活地识别和切割特定位点后，将自身复制到断裂的同源位点，实现自身及其搭载基因在群体中的扩散。不同于经典的孟德尔遗传方式，基因驱动的超孟德尔遗传可以克服自然选择的阻力，甚至让有害突变也能在群体中扩散开来。
孟德尔遗传和基因驱动遗传方式的对比
左侧是孟德尔遗传方式，基因编辑植株（绿色表示）无法在群体中迅速扩散。右侧是基因驱动（超孟德尔）的遗传方式，基因编辑植株在群体中迅速扩散。
（图片来源：Driving evolution in wild plants | Nature Plants）
如果能够利用这种技术“改造”入侵植物的基因，那就有望更有效地控制它们了。但是，由于homing驱动将自身复制到断裂位点时需要依赖于同源重组修复方式，而这种修复方式在植物中并不常见，因此限制了homing驱动在植物中的应用，阻碍了植物中基因驱动工具的开发。
“毒药+解药”
首个植物中的人工基因驱动系统诞生
近日，我国科学家们取得了令人兴奋的进展，中国科学院遗传与发育生物学研究所钱文峰团队利用基因组编辑技术开发出了首个植物中的人工基因驱动系统CAIN（CRISPR-Assisted Inheritance utilizing NPG1）（点击文末“阅读原文”看论文）。
这个系统“瞄准”的是花粉。
花粉是种子植物的雄配子体，由雄蕊的花药产生。花粉粒通过虫媒或风媒传播，落在雌蕊的柱头上后开始大量吸水，萌发并长出花粉管，把花粉内部产生的精细胞送到雌配子体中完成受精作用。
花粉的萌发和花粉管生长都是植物有性生殖过程中必定要经历的过程。CAIN包含了“绑定”在一起的“毒药”基因和“解药”基因，其中“毒药”基因能够定向地敲除花粉萌发所必需的基因NPG1，使其丧失功能，导致花粉无法萌发，而“解药”基因则能够回补缺失的基因功能，从而挽救一部分被“毒害”的花粉。
当携带着CAIN的杂合体植物通过减数分裂过程产生花粉时，“毒药”被共享到了所有花粉中，而只有遗传了CAIN的花粉才能够被“私有”的“解药”所拯救，成功萌发出花粉管进而完成授精产生后代。这样一来，基因驱动CAIN便被偏向性地传递给了后代，以此实现超孟德尔遗传，从而克服自然选择的阻力，使其即使对植物有害也可以在群体中扩散开来。
基因驱动工具CAIN的设计原理
CAIN包括“毒药”基因和连锁的“解药”基因。在减数分裂过程中，所有花粉都继承“毒药”基因，但只有携带CAIN的花粉携带“解药”基因，能成功萌发，从而实现CAIN元件的偏向性传递。（图片来源：作者提供）
目前，这项技术在自交繁殖的模式植物拟南芥的人工杂交后代群体中进行了概念验证，研究结果非常成功。基因驱动工具CAIN能够将自身的传递率从原有的孟德尔遗传的50%提高至88%-99%，这一成果验证了在植物中实现人工基因驱动系统的可行性，为日后在其他植物中的应用提供了重要参考。
有了这一工具，如果再额外“绑定”上其它我们想要传播的基因，就能够精准地控制（人们想要的）植物数量了。
比如“绑定”降低植物育性的基因，让它也随着基因驱动的传播而传播，这样经过若干代的自然杂交以后，整个群体的育性逐渐下降，最终导致群体崩溃甚至消失。又或者是“绑定”上使植物对某种除草剂敏感的基因，类似地，经过若干代的自然杂交以后，整个群体便不再具有抗药性了，除草剂的施用效果也能大幅提高。
研究之外的思考
科学技术是一把双刃剑，基因驱动亦不例外。
一方面，基因驱动能够在目标种群中快速传播任何我们想要的基因，帮助我们改造或抑制蚊虫等疾病媒介，控制入侵物种，拯救野外濒危物种，亦或是提高农药和除草剂的可持续性。
另一方面，正是由于功能强大，它对生态系统的危害潜力也是巨大的。如果脱靶，基因驱动可能传播到预期以外的区域，甚至越过生殖隔离转移到非目标物种；如果被滥用，还会造成经济损失甚至演变成生化武器。
更值得深思的是，一个物种是否应该被改造甚至消灭，是应该由我们人类所决定的吗？因此，基因驱动又不仅仅是一项科学技术，还涉及法律、伦理和外交等方方面面。
早在2015年，数位科学家就在《科学》杂志上联合发表了关于实验室基因驱动研究的安全指南5，涉及基因驱动方案设计、生态和物理屏障建立等方面，力求在研究阶段就杜绝无意释放可能引发的生态威胁。2016年，美国国家科学院发布了一份关于基因驱动的报告，提出了对基因驱动技术的监管框架，并强调了公众参与的重要性6。随后在2018年，联合国生物多样性公约下的科学技术咨询小组也对基因驱动的潜在风险提出了警告，呼吁全球范围内的监管合作7。
即便基因驱动距离实际应用还有很长的路要走，技术理论研究依然是必要的。未来，基因驱动的发展不仅需要科学家们的智慧，还需要政府、民众和国际社会的广泛参与，才能确保这项技术的安全、可持续发展。
参考文献：
[1] 李霞霞,张钦弟,朱珣之.近十年入侵植物紫茎泽兰研究进展[J].草业科学,2017,34(2):283-292.
[2] 吴志红.恶性杂草—紫茎泽兰的危害及控制对策[J].中国植保导刊,2004,24(7):8-10.
[3] Burt A. Site-specific selfish genes as tools for the control and genetic engineering of natural populations. Proc Biol Sci. 2003 May 7; 270(1518): 921-928.
[4] Gantz V M, Bier E. (2015) The mutagenic chain reaction: a method for converting heterozygous to homozygous mutations. Science, 348(6233): 442-444.
[5] Akbari O S, Matzen K D, Marshall J M, Huang H, Ward C M, & Hay B A. (2015) Safeguarding gene drive experiments in the laboratory. Science, 349(6251): 927-929.
[6] National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. (2016). Gene Drives on the Horizon: Advancing Science, Navigating Uncertainty, and Aligning Research with Public Values. Washington, DC: The National Academies Press.
[7] Convention on Biological Diversity. (2018). CBD Technical Series No. 82: Synthetic Biology. Secretariat of the Convention on Biological Diversity.
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