基因編輯棉花：溫暖你的身，填滿你的胃

出品：科普中國

監(jiān)制：中國作物學(xué)會 光明網(wǎng)科普事業(yè)部

統(tǒng)籌：程維紅 徐琴

策劃：宋雅娟 張蕃

作者：金雙俠 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院作物遺傳育種專業(yè)博士，教授，博士生導(dǎo)師

日常生活中，大家的餐桌上使用的是哪種食用油呢？也許你會提到大豆油、花生油、菜籽油等等。可是你聽說過棉花籽榨出的可食用棉籽油嗎？

作為重要的農(nóng)作物，棉花千百年來一直是人類抵御嚴(yán)寒的重要原料。更特別的是，籽棉中有60%都是棉籽，即棉花在出產(chǎn)1公斤纖維的同時(shí)，還能出產(chǎn)1．65公斤富含蛋白質(zhì)的棉籽。棉籽中豐富的蛋白質(zhì)和油脂，是食用蛋白質(zhì)和食用油的極佳來源。因此在食品界，棉花一直被認(rèn)為是響當(dāng)當(dāng)?shù)臐摿伞?/p>

可是為什么棉籽油在我們的餐桌上卻如此陌生呢？究其原因竟是棉花中存在的一種次生代謝物——棉酚。作為植物保護(hù)自己的生化武器，棉酚在植株地上部分的腺體和根的表皮層中大量積累，幫助棉花抵御病菌侵染和降低被害蟲取食的風(fēng)險(xiǎn)。說到這里想必你已經(jīng)猜到了：棉酚對人類和單胃動(dòng)物（如豬，鳥，魚）、嚙齒動(dòng)物都是有毒的。

食用含棉酚較多的毛棉油會引起中毒，患者皮膚會產(chǎn)生劇烈的灼燒感，并伴有頭暈、氣喘、心慌和無力等癥狀。這樣聽起來，白白軟軟的棉花變成了讓各種生物退避三舍的“用毒高手”。

但人類就這樣退縮了嗎？當(dāng)然不，棉籽這么棒的油料作物怎么能浪費(fèi)呢！既然有毒，那我們對棉籽進(jìn)行“脫毒”不就好了嘛——

棉籽油的傳統(tǒng)脫毒方法有很多，如物理脫毒法、化學(xué)脫毒法、生物脫毒法及溶劑浸出法等。物理脫毒法利用棉酚色腺體的密度與其他組分相比較小的特點(diǎn)將其脫毒；化學(xué)脫毒法是通過化學(xué)試劑使游離棉酚變性或轉(zhuǎn)化為結(jié)合棉酚；生物脫毒法，是利用某些酶和微生物將棉酚轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)脫毒；溶劑浸出法則是利用棉酚極易溶于有機(jī)溶劑的特點(diǎn)來提取棉酚，如雙液相萃取工藝。

但上述方法不僅工藝格外復(fù)雜，還耗時(shí)耗力、效率低下。難道沒有什么更簡單、快捷、高效的辦法來實(shí)現(xiàn)棉籽“脫毒”嗎？有的，那就是基因編輯技術(shù)！

基因編輯技術(shù)是對作物內(nèi)部存在的基因進(jìn)行修飾的一種生物技術(shù)，比如敲除一些有毒的“不良基因”。目前應(yīng)用最為廣泛的基因編輯技術(shù)非CRISPR-Cas9莫屬了，研究人員利用該技術(shù)來調(diào)控棉花中棉酚合成通路中的關(guān)鍵基因，降低棉酚含量，在源頭上實(shí)現(xiàn)了“脫毒”。經(jīng)過基因編輯的棉花再也不是“用毒高手”，而是可以榨取香噴噴棉籽油的經(jīng)濟(jì)作物！

這項(xiàng)技術(shù)成果離不開我國科研人員的鉆研、奮斗：2019年12月，Plant Biotechnology Journal在線發(fā)表了河南大學(xué)宋純鵬教授團(tuán)隊(duì)克隆首個(gè)棉花色素腺體定位基因CGP1并對其進(jìn)行基因編輯的研究結(jié)果。研究人員發(fā)現(xiàn)在有腺體棉花品種中，RNAi干涉和CRISPR敲除CGP1基因后棉花都表現(xiàn)出無腺體表型。進(jìn)一步分析結(jié)果顯示，在cgp1突變體中，棉酚合成路徑相關(guān)基因表達(dá)量下調(diào)，棉酚的含量顯著降低。近期華中農(nóng)大棉花遺傳改良團(tuán)隊(duì)金雙俠課題組也利用CRISPR-Cas12 a 系統(tǒng)成功敲除棉花腺體合成基因，獲得無腺體、無棉酚的棉花，其棉籽油可以直接食用（見下圖）。

A. 農(nóng)桿菌篩選；B. 農(nóng)桿菌侵染；C. 共培養(yǎng)；D. 愈傷誘導(dǎo)；

E. 胚狀體形成；F. 獲得再生苗；G. 再生苗生根；H. 再生苗移栽

農(nóng)桿菌介導(dǎo)的棉花遺傳轉(zhuǎn)化流程（華中農(nóng)大金雙俠課題組提供）

總結(jié)來說，我們的科學(xué)家破譯了棉花基因的“天然密碼”。相信在不遠(yuǎn)的未來就可以打造出棉花界的“創(chuàng)收達(dá)人”—— 既抗蟲害又產(chǎn)出無酚棉籽的特種棉。

田間的基因編輯棉花植株（華中農(nóng)大金雙俠課題組提供）

基因編輯的無腺體的棉鈴與野生對照（華中農(nóng)大金雙俠課題組提供）

如此一來，富含蛋白質(zhì)且產(chǎn)量極為豐富的棉籽就可以更多地被端上餐桌，既避免了資源浪費(fèi)，又極大地補(bǔ)充了人類的食用來源，還能為改善全球饑餓危機(jī)出一把力！基因編輯棉花，溫暖你的身，也能填滿你的胃！