如何一步步改造种子基因

圣路易斯——在一个不起眼的地下实验室里，穿着牛仔裤的工程师们手里拿着蓝图，用梯子在未完工的地板上爬来爬去，一边谈论红雀队，一边拧紧新原型设备上的螺栓。乍一看，这就像全国任何一家机械车间一样。

但随后你注意到一缕缕大豆幼苗卷曲着生机，它们的根须扎进轻轻填满土壤的试管中，你就会记起——这个地方全是种子。

孟山都公司生产了世界上 90% 的转基因作物，它采用古老技术（杂交不同植物以产生所需特性）和最现代技术（从基因组研究到 NASA 级别的机械工程）的复杂结合。

孟山都最初是一家化学公司，生产过一些世界上最具争议的物质——糖精、滴滴涕、多氯联苯、橙剂——后来发展成为如今的生物技术巨头。这一发展过程充满了争议，包括针对农民的诉讼、不公平贸易行为的指控等等。该公司生产除草剂 Roundup，还生产经过基因改造可以抵御 Roundup 活性植物杀灭成分的种子。现在，美国绝大多数的大豆、玉米、甜菜和油菜都含有这些基因改造的种子。

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每一颗种子背后都至少有十年的研究，涉及遗传学家、工程师和农民，他们努力培育出一粒能够完全按照预期生长的种子，甚至以大自然可能没有预料到的方式生长。下面是具体过程。

第一步：找到新特质

孟山都公司技术勘探主管金妮·乌尔辛一生大部分时间都在研究植物；10 岁时，她在前院拼凑了一个临时温室。她回忆说，温室建造得相当好，以至于一位城市建筑检查员顺便过来询问许可证。在获得加州大学戴维斯分校遗传学博士学位后，她研究了植物积累油脂的生化途径。她花了十多年的时间开发一种新的 omega-3 大豆，这种大豆实际上会产生一种前体脂肪酸，我们的身体会将其转化为一种有益心脏健康的 omega-3——不含鱼的鱼油。它的历史包括阿拉斯加野花、一种用于印尼烹饪的霉菌和多年的耐心培育。

要生产转基因生物，你必须确定你希望植物具有的特性，并找出其他生物已经具有的特性。这需要运气和仔细的搜索——孟山都公司首先利用在农达工厂附近发现的细菌基因生产出“农达抗性”草甘膦植物。乌尔辛仔细研究了概述生物脂肪酸组成的科学文本，测试了数百种花卉和真菌，最终将生命之网缩小到在月见草花和一种名为脉孢菌的霉菌中发现的两种产生脂肪酸的酶。

制作转基因大豆种子还需要对植物本身进行测试，以找到最有价值的对象。孟山都公司发明了一些尖端技术，以帮助其科学家提高这一步骤的效率。

第二步：获取基因

过去，研究单粒种子的遗传密码需要先种下种子，等植株长到一定大小，然后用纸打孔器在叶子上剪孔以采集样本。但这是一个耗时又耗能的过程，所以研究种子本身更容易，孟山都自动化工程部门负责人凯文·德普曼解释说。这需要将种子磨碎，这也很不方便，因为磨碎的种子不能种植。为了解决这个问题，孟山都的工程师发明了一种特殊的切碎装置，可以刮下种子的一小部分，并将其磨成粉末，可以用基因组图谱技术进行分析。同时，种子的剩余部分可以保存起来以供种植和栽培。

“现在我们在种子种到地里之前就知道了它里面有什么基因，”德普曼说。

德普曼夸耀说，他最近从美国宇航局喷气推进实验室挖来了一名工程师，他相信，有了合适的工具，孟山都就能实现到 2030 年将农作物产量提高三倍、同时将资源使用量减少三分之二的目标。他说，孟山都去年申请专利的削片机就是这样一种工具。气流将削片与种子的其余部分分离；条形码系统确保两者稍后可以合并。该设备大约有家用空调那么大，每秒可以削片一粒种子。将削片磨成细粉，并用内部开发的自动化高通量基因分型系统进行分析。

设计大豆切片机很容易，因为大豆种子的形状决定了它们总是以某种方式落下。但玉米粒各不相同，你不想削掉错误的部分而杀死胚芽。孟山都的玉米切片机使用摄像头和物体识别算法来确定每颗种子应该如何排列才能正确切片。下一代瓜类和其他水果切片机配有每秒拍摄 100,000 帧的摄像头——所有这些都是为了帮助遗传学家更快地发现新性状。

第三步：“特质插入”

现在你已经获得了基因，下一步就是将它们插入植物中。有几种方法可以做到这一点，包括使用“基因枪”，它可以直接发射 DNA 片段。.22 口径的子弹将包裹有 DNA 的金属颗粒射入植物组织。孟山都不再使用这种技术，但它仍在其他生物技术公司中广泛使用。

对于 omega-3 大豆，Ursin 及其同事采用了一种更精细的方法，加热大豆幼苗，使其处于压力之下，并使其易受一种名为农杆菌的细菌的侵害。这种微生物专门入侵植物 DNA，诱使其产生糖和氨基酸，为细菌提供养分。科学家可以利用这种特洛伊木马能力，将新蛋白质插入植物的染色体中。Ursin 说，植物会将这种外来编码蛋白质识别为自己的一种蛋白质。

“现在所有植物的祖细胞中都有这种特性。花粉的基因组中都有这种 DNA，因此当你进行授粉并产生新的种子时，这种特性就会延续到下一代，”她说。这就是第一代转基因植物。

这也是一场机会游戏——就像育种一样，你永远不知道后代会变成什么样。Ursin 和同事们培育了大量改良的幼苗，以确保新基因最终出现在基因组的正确位置，因为如果出现这种情况，植物可能会遭受无数副作用，使其不适合以高价出售给农民。下一步：找到最佳候选者。

第四步：生长室手套

经过大约两年的测试，乌尔辛将大豆幼苗的范围缩小到少数可能获胜的品种，然后进一步筛选，最终培育出一种特殊的转基因种子。未来还有很多法律障碍——孟山都对障碍并不陌生——但公司官员希望这些大豆能在两年内上市。

孟山都公司总部规模庞大，犹如校园，拥有多个餐厅和小型货车车队，用于接送员工在从“A”到“Z”的建筑物之间穿梭；德普曼和他的同事们就在这里工作。圣路易斯郊区切斯特菲尔德的道路上是乌尔辛这样的生物学家的办公场所：150 万平方英尺的园区内有 108 个气候控制生长室、26 个温室和 250 个实验室，该公司目前正在对园区进行 6500 万美元的升级。

这些试验室里有成千上万的幼苗，用于测试其耐旱性、耐盐性、抗病虫害性等。目前，植物生物学家必须手工研究这些幼苗，拍摄它们的根部照片并测试它们的生存能力。Deppermann 希望整个过程都能实现自动化，除了新的种子切碎机外，自动化实验室的工程师们还在制造这样一种装置。

那些细长的大豆幼苗在嘈杂的机器声中静静地生长？它们是自动发芽系统的测试对象，该系统会吸出单个种子，种植，吹掉根部的泥土以检查其健康状况，并自动提供植物生长所需的养分。

德普曼说道：“我们必须让它一直存活下去。”

第五步：种植

自动化技术旨在让遗传学家的工作更轻松，但仍然需要有人播种、照料植物并收获。这就是马库斯·琼斯的用武之地。琼斯身材魁梧，像 NFL 后卫一样，留着令人印象深刻的辫子，还在非洲-古巴乐队中担任鼓手，他热情洋溢地谈论“农场景观”以及高效、高产地利用土地的重要性。他帮助开发了孟山都的 GenV 播种机，这是一种增强型 GPS 拖拉机，可以为农民提供超精确的播种数据。

购买一袋孟山都种子，你得到的不仅仅是一堆转基因植物胚胎——孟山都提供了关于植物间距、水肥使用、植物种群等的详细说明。孟山都使用播种机来制定这些建议。该机器知道自己在田地中的位置，精度在 9 英寸以内，可以全天候工作，必要时在夜幕的掩护下播种。它有五个独立的种子箱，可以区分不同的杂交品种，并能准确记住在哪里播种了哪种植物，确保为孟山都的农艺专家提供准确的数据。播种机可以以不同的速度和间距播种，提供植物在特定条件下生长情况的全面图像。

今年夏天，琼斯和同事们与约翰迪尔公司合作开展了一项试点研究，旨在开发能够响应环境的种植技术，根据条件推荐种植间距、施肥等。琼斯说，目标是用更少的水、更少的空间和更少的养分种植出更多更结实的作物。

“我们不会再征用土地，但我们可以每英亩种植更多作物，”他说。

** 第六步：基因表达**

现在你已经分离了新基因，对数千颗种子进行了切片以找到强有力的候选基因，在特殊的室内培育了候选植物，并学会了将它们种植在地里的理想方法。现在你必须防止杂草窃取它们的养分，并防止害虫在你之前收割作物。这就是孟山都的拿手好戏：能够抵抗除草剂和害虫的转基因作物。

购买孟山都转基因种子的农民可以在整个生长季节随意在田地上喷洒农达。该公司称，这减少了耕作的需要，从而防止了土壤侵蚀。农达中的活性成分草甘膦通过阻止植物形成三种特殊的芳香族氨基酸（色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸）来杀死正在生长的植物。

为了培育“抗农达”植物，孟山都从农达工厂生长的一种农杆菌中克隆了一种基因。研究人员发现，这种细菌的氨基酸生成不受草甘膦的影响，他们利用大肠杆菌克隆了负责这种特性的基因。然后他们使用另一种农杆菌——我们熟悉的根癌农杆菌——将该基因插入植物的染色体中。携带细菌基因的植物仍然能够产生这三种氨基酸，而且它们可以很好地存活下来。杂草就没有那么幸运了。

农杆菌并不是该公司用于进行基因改造的唯一细菌。经过改造的“Bt”棉花和玉米品种可以产生一种对昆虫幼虫有毒的化学物质，而表达这种特性的基因来自一种名为苏云金芽孢杆菌的细菌。（该基因也是使用农杆菌过程插入的。）农民需要种植“避难所”，即没有种植抗虫转基因种子的区域，这样害虫仍有地方可吃，也不太可能产生抗药性。研究表明，Bt 植物的根部可以将 Bt 毒素渗入地下土壤，然而，虽然 Bt 是一种原生细菌，但这种植物对其他土壤菌群的影响仍然相对未知。Bt 棉花广泛种植于中国和印度，这两个国家是世界最大的棉花生产国。

1996 年，抗农达大豆进入市场，随后苜蓿、玉米、棉花、春油菜、甜菜和冬油菜也相继上市。这些作物迅速流行起来；全国 90% 以上的大豆和约 70% 的玉米都含有抗农达基因。但杂草也开始进化以抵抗农达——截至去年春天，在 22 个州发现了至少 10 种抗草甘膦阔叶杂草。这就是为什么该公司正在研究抗除草剂二氯苯氧乙酸和草甘膦的大豆和油菜——这样农民就可以同时使用这两种除草剂。

孟山都生物技术副总裁史蒂夫·帕吉特 (Steve Padgette) 表示：“麦草畏是一种有效的阔叶杂草除草剂，而这恰恰是过去几年中面临的诸多挑战。”他表示，麦草畏已获准用于大豆的苗前喷洒，这意味着农民可以在作物发芽前喷洒；孟山都希望麦草畏能获准用于苗后喷洒，就像目前的农达一样。

与此同时，反对者认为，Bt 和农达作物对环境的影响尚未得到充分研究。他们提出了许多担忧和指责：转基因反对者指出，有研究表明，农达玉米对实验室老鼠的肾脏和肝脏有毒性（孟山都称该研究存在缺陷）；转基因作物的产量实际上却适得其反；Bt 玉米对帝王毛虫有毒性；转基因作物鼓励农民肆意喷洒化学药剂，危害环境（支持者指出，有研究表明，转基因作物减少了杀虫剂和除草剂的使用），等等。

12 月，一场涉及抗农达苜蓿的诉讼案取得了关键进展，该作物可能在今年春天再次被种植。这种苜蓿于 2005 年获得美国农业部批准，次年，消费者和环保组织根据《国家环境政策法》提起诉讼。食品安全中心起诉并赢得了一项禁令，禁止在美国农业部动植物卫生检验局 (APHIS) 完成环境审查之前销售和种植抗农达苜蓿。去年夏天，在研究完成期间，美国最高法院解除了禁令；现在研究已经完成，农民很可能在今年春天种植这种作物。

许多其他案件正在法庭上审理——去年秋天，加利福尼亚州的一名法官下令销毁转基因甜菜种植园，但该裁决后来被推翻，允许这些作物暂时留在地里。

未来步骤：以自然为指导，养活世界

除了广谱抗除草剂以外，转基因种子的未来还有更崇高（也更难）的目标，比如提高作物产量、耐旱性、提高氮吸收率，甚至增加增值特性，使大规模生产的食品更有营养。孟山都公司正与非洲农业技术基金会合作，授权其用于生产耐旱玉米的技术，希望该技术能于 2012 年在美国推出。玉米是美国的主要经济作物，因此孟山都公司并没有将其免费提供——但这项公私合作将帮助非洲公司开发自己的品种，理论上这些品种可以在西非干旱地区生长。该项目部分资金来自比尔和梅林达·盖茨基金会和霍华德·G·巴菲特基金会提供的 4700 万美元资助。

乌尔辛已经不再在实验室工作，她正在寻找孟山都未来可能合作或收购的其他生物技术公司。但她表示，她期待明年站在一片长满 omega-3 大豆的田地里，这对她来说将是梦想成真。

“在自家院子里种上一个花园，整个夏天都能收获西红柿和罗勒，这是一回事，但要养活 90 亿人口（到 2050 年）又是另一回事。对于每一位植物育种者、每一位参与生产粮食的人而言，都面临着一些非常大的挑战，”她说。“（生物技术）并不是唯一的东西……我知道人们对这项技术有自己的问题。但它是一项了不起的技术。它以自然为指导。”

孟山都远非唯一一家走这条路的生物技术公司。其竞争对手杜邦公司以其先锋品牌生产转基因种子，而瑞士公司先正达也在致力于增值作物。例如，先正达公司正在生产维生素 A 含量更高的黄金大米。研究表明，这种新增特性可以对抗发展中国家的维生素 A 缺乏症。杜邦公司正在生产能够生产更健康油的大豆。杜邦公司的高油酸大豆通过消除氢化需求来减少反式脂肪，并于 6 月获得了 FDA 的放松管制，这意味着它可以在 2012 年进入食品供应。孟山都公司的高管希望他们的 omega-3 大豆也能在 2012 年之前在全球上市。

尽管遭到了抵制——尤其是在欧洲，以及印度和中国等国——但这一新一轮增值特性是基因工程的下一步。首先，改造食物以提供更好的营养和更高的产量似乎比仅仅销售更多的除草剂更光荣。随着专利到期，种子公司将寻求利用这些特性获利，这些特性可以帮助农民向注重健康的消费者推销他们的产品。

尽管社会、经济和政治变革无疑对确保世界穷人的健康食品供应更为重要，但来自不同意识形态的专家表示，由生物技术推动的第二次绿色革命也越来越必要。甚至梵蒂冈也参与其中，称发达国家有道德责任保证粮食安全。去年秋天，梵蒂冈科学顾问发布了一份长达 14 页的文件，称转基因作物并不比自然进化更危险，发达国家的反对者反对转基因作物是没有道理的。

此类政策争论还将继续，但转基因作物，就像孟山都机械车间里挣扎生长的那些脆弱的小大豆一样，很可能成为未来的食物。