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基因的遗传普遍遵循孟德尔定律，即二倍体中的等位基因以相等的概率遗传给下一代。正是这种遗传的公平性，保证了达尔文自然选择的高效。然而，自然界中还存在着一类特别的遗传元件，它们并不遵守这一规则，能够通过一些“特殊手段”以高于50%的概率传递给后代，实现“超孟德尔遗传”（图1）。即使它们的存在对生物体不利，也可以突破自然选择规律的限制，在群体中扩散。这些“自私”的遗传元件被称为基因驱动。
合理利用基因驱动，则可能可以人为改造野生种群，在野生群体中传播对人类有益的性状。甚至在某些特殊情形下，可以实现在一定时间空间范围内清除对人类有害的物种。
全球农业和环境面临着诸多挑战，如除草剂抗性杂草的蔓延和外来入侵植物的肆虐。使用传统育种方法解决这些问题时已逐渐显露出局限性。而基因驱动技术则为快速改变自然种群遗传结构开辟了新的路径。在此背景下，中国科学院遗传与发育生物学研究所的钱文峰团队在Modern Agriculture期刊上发表了一篇题为Synthetic Gene Drives in Plants: Development Strategies, Potential Applications, and Ethical Considerations的前瞻性文章。本文详细探讨了合成基因驱动技术在农业生产和生态管理中的应用潜力及其面临的挑战。
文章系统性总结了现有的人工合成基因驱动系统类型。如基于内切酶的人工基因驱动系统、依赖CRISPR技术的人工基因驱动系统和“毒药-解药”人工基因驱动系统等，并深入探讨了各种系统的优缺点（图2）。
文章还对植物中的首个人工基因驱动系统CAIN（CRISPR-Assisted Inheritance utilizing NPG1）进行了重点介绍。该系统基于“毒药-解药”机制，实现超孟德尔遗传。具体而言，CRISPR/Cas9靶向切割花粉萌发所必需的基因NPG1（No Pollen Germination 1），作为毒药阻止花粉萌发；重新编码的、可抵抗CRISPR/Cas9切割的NPG1拷贝作为解药，为携带基因驱动元件的花粉回补正常萌发所需的基因功能，从而确保只有携带基因驱动的花粉能够正常发育，赋予基因驱动元件CAIN显著的遗传优势（图2）。在模式植物拟南芥中的实验结果显示，CAIN在两代内实现了88%至99%的传播效率，展现了其令人瞩目的传播速度，以及在改变自然植物种群中的巨大潜力。
文章还进一步探讨了CAIN在不同生态和农业场景中的潜在应用。例如，通过将CAIN插入杂草的除草剂抗性基因中，可以将其转化为除草剂敏感型，从而有效控制杂草。同时，该技术也可用于增强濒危植物的环境适应性，通过插入有益的遗传改造帮助这些物种在自然环境中生存。此外，CAIN还能精确靶向入侵植物物种的必需基因，从而实现对这些物种群体的有效控制。然而，CAIN的实际应用也需要综合考虑多种因素，包括植物生活史对驱动传播的影响、潜在的抑制驱动传播的突变（图3）以及可能出现的基因沉默等。
在展望基因驱动技术的未来时，文章也强调了生物安全和伦理方面的重要性。为了确保技术的安全应用，必须建立严格的监管和监测框架，防止技术的误用和潜在风险。特别是在将基因驱动技术释放到自然环境之前，需要全面评估其对生态系统的潜在影响。
随着研究的深入和技术的成熟，人工基因驱动技术有望成为解决农业和生态问题的重要工具，开启农业可持续发展的新篇章。未来，科研人员、政策制定者及社会各界需共同努力，确保这一革命性技术的安全、有效应用，为构建更加绿色、健康的地球贡献力量。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/moda.30
2. Science News
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同一时间，加州理工学院（Bruce Hay at the California）的遗传学家Bruce Hay团队也在拟南芥中建立了类似的基因驱动系统。他们通过CRISPR系统靶向目标基因YKT61，这一目标基因是植物细胞正确处理蛋白质和脂质所必需的。为了证明这种方法可以迅速促进基因传播，研究团队附加了一个使存活的种子呈现红色荧光的标记基因。事实证明，该基因驱动是有效的，有97%至99%的拟南芥产生了红色种子。而且它很稳定，可以持续五代。
Science的新闻邀请领域内专家对这两项成果进行了评论并对其应用前景展开了深入探讨。
“他们所取得的成就非常惊人，”哥本哈根大学（University of Copenhagen）的杂草科学家Paul Neve表示，“这是一种聪明且很有创新性的做法。”
堪萨斯州立大学（Kansas State University）的杂草生理学家兼分子生物学家Mithila Jugulam表示，植物基因驱动系统可能对于可持续的杂草管理“非常有价值”。但科罗拉多州立大学（Colorado State University）的杂草生物学家Todd Gaines提醒道，“我可以预见到很多困难”，包括向农民推广这项技术并获得监管部门的批准。
要使转基因（genetically modified , GM）作物通过美国政府机构（包括农业部）的审批仍然是一个漫长且代价很高的过程，而农业部的职责是尽量降低新型杂草和害虫出现的风险。因此获得转基因杂草的批准听上去就像是个恐怖故事。”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）的杂草科学家Patrick Tranel说。
Hay指出，设计这样一种旨在根除杂草的基因驱动是可行的——生殖细胞中发生的 DNA 重组最终会分离其遗传成分并使其失效，从而降低有害的基因驱动传播到农田以外杂草的风险。“这项技术可以对特定杂草有效，但不会对目标杂草之外的杂草产生破坏性，这一点非常重要” 爱荷华州立大学（Iowa State University）的植物遗传学家Kan Wang说，“这是我非常赞赏的一点。”
然而，Neve表示，尽管基因驱动可能很安全，但其在农业应用方面的吸引力很有限。农民可能不愿意等待十年时间来根除杂草。此外，该模型还假设农民需要先增加10% 携带着基因驱动的杂草——这会消耗大量的水和养分。Hay 认为基因驱动是其他措施的补充，设想农民每年在田地周围种植一圈携带着基因驱动的杂草就会逐步将杂草数量减少到零。
Tranel表示，还存在一个基本的生物学限制。基因驱动技术只在异花授粉繁殖的植物中起作用，而许多棘手的杂草并不是这样繁殖的。例如，“难缠”的光滑苋菜和根苋菜，它们是自花授粉，基因驱动便无法起效。Neve还补充说，植物也可能会对毒药-解药基因驱动产生抗性，就像它们对除草剂产生抗性一样。“这不会是杂草管理的万能药，”Tranel说。
论文链接：
https://www.science.org/content/article/first-synthetic-gene-drive-plants-could-help-eradicate-weeds
