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加州大学伯克利分校的微生物生态学家Jill Banfield（右）和试验室成员Jack Kim、Bethany Kolody正在加州比格斯的水稻实验站，钻研稻田里的土壤微生物。他们在致力鉴别土壤里与甲烷释放无关和能存储碳的微生物。摄影：ANDY MURDOCK, INNOVATIVE GENOMICS INSTITUTE
撰文：MADELEINE STONE
迷信家表现，仅仅住手焚烧向大气释放碳的化石燃料，曾经缺乏以避免寰球变暖加剧到风险程度。由于根据现有的速度，人类简直不成能及时做到，咱们还需求从大气中排汇碳，并确保其平安寄放。
想要做到这一点，动物是最好工具，由于这些有生命的太阳能采集器每一年都会经过光协作用，从大气中捕捉几十亿吨二氧化碳。其中约一半的碳进入根部，终究进入土壤，存留几百年，甚至上千年。
假如咱们能发明出更长于捕获碳的动物和土壤呢？CRISPR基因编纂技术为完成这一指标带来了但愿；这是一种拥有改造性的份子生物学新工具，迷信家能够利用它疾速、精准地编纂撑持着一切生命的DNA代码。
上个月，翻新基因组学钻研所（IGI）开始当真探究这个设法。这个钻研联结会位于旧金山湾区，失掉了CRISPR前驱Jennifer Doudna的赞助。由动物遗传学家、土壤迷信家和微生物生态学家组成的团队收到陈和扎克伯格基金会捐赠的十一00万美元，开始了一项为期三年的钻研：利用CRISPR发明新的作物种类，这些作物将更高效地进行光协作用，把更多碳输出到土壤中。钻研人员但愿能钻研出通过基因编纂的水稻和高粱种子，假如能在寰球种植，每一年将从大气中多排汇10亿多吨碳。
在翻新基因组学钻研所，通过基因编纂的动物幼苗正在成长。该钻研所已针对寰球30多种食粮作物，制订了基因编纂协定。摄影：BENTON CHEUNG, INNOVATIVE GENOMICS INSTITUTE
这个指标狼子野心，在种植污染二氧化碳的动物之前，钻研团队可能会在试验室外面临诸多应战。社会、政策和伦理要素也将抉择农民能否承受这类作物。但钻研人员以为，这个名目能够解决火烧眉毛的气象危机。
“气象变动是一个十分十分重大的问题，”IGI的常务董事、该名目的首席钻研员Brad Ringeisen说：“它正要挟着全世界。CRISPR能够被用来踊跃应答气象变动，所以咱们正在野着这个标的目的致力。”
优化动物
动物天然排汇碳的才能从巨大的细胞区室叶绿体开始。在那里，阳光中的能量被用来剥离水份子中的电子，并把它们参加二氧化碳，使之转化成葡萄糖（一种单糖）。而后，动物利用这类无机碳，长出新的叶子、枝条和根。
光协作用面前的生化机制进化了几亿年。但比来几十年，动物生物学家发现，这个进程出奇的低效。例如，当里面阳光明丽时，动物往往会封闭参预采集光子的症结蛋白质。这是为了确保在水、养分等其余要素限度成长时，它们不会适度利用资源来采集阳光。
但动物并不必这么做，加州大学伯克利分校的动物生物学家、IGI钻研团队的成员David Savage说。动物“能够最大限制地进行光协作用”，把阳光转化为存储的碳，由人类提供灌溉和肥料。
多年来，钻研人员始终试图经过传统基因工程，来改良光协作用，好比把细菌或其余拥有现实特质的动物的DNA，引入到捕获光线的蛋白质和其余生化机制的基因。而CRISPR（原核生物基因组内的一段反复序列）纷歧样。它是细菌天然进化的一种零碎，用以抵制病毒，就像一把份子剪刀；迷信家能够在不引入任何外来DNA的状况下，用CRISPR对全部生物体的基因组进行复制粘贴编纂。
与初期基因工程办法比拟，CRISPR基因编纂技术更快、更精准，为疾速冲破关上了大门。“咱们能够以一种彻底不成能的形式，优化（光协作用）门路，”Savage说。
Savage和共事首先从单个细胞开始，利用CRISPR对水稻进行几百万次巨大的基因编纂；这类作物目前相对于容易进行操作，部份缘故在于过来迷信家曾经深化进行了基因工程钻研。钻研人员将筛选出让光协作用的症结步骤更无效的渐变基因。终究，他们会选出最有但愿的细胞株，种植真实的水稻，看看编纂的成果。
按照以前颁发的钻研预测，Savage以为，叠加多个无益的基因编纂将会使光协作用的效力进步30%乃至更多，于是水稻植株组织捕捉的碳也将随之减少。
深化公开
不外，为了增强农田的碳封存成果，需求把更多的碳送上天下。在加州大学戴维斯分校的作物遗传学家Pamela Ronald进行的平行钻研中，钻研人员将从寄放于IGI的3200个水稻渐变植株中进行筛选，寻觅拥有无益根系性状的变种。包罗长根稻株，能够将碳保送到土壤更深处；以及根系会释放出更多高糖份子（即渗出物）的植株，这类物资会增进土壤中的微生物群落成长。
一旦Ronald和共事肯定了拥有某些根系性状的水稻植株后，他们但愿用CRISPR基因编纂技术，进一步优化这些特性。
索尔克钻研所的动物生物学家Wolfgang Busch是“动物利用方案”（Harnessing Plants Initiative）的领头人；这个名目也但愿经过改动作物的基因，晋升土壤的固碳后劲，好比那些曾经存在于天然界的诸多根系性状。例如，他的团队发现了根系更多更长的自然高粱种类。Busch说，“毫无疑难”，能够经过CRISPR进一步把持这些特点。
但Busch正告说，要编纂这些特点，从而获取显著益处，将是一个应战。在造就皿或温室中进行基因操作能发生无利后果，但在原野里就纷歧样了，那里的环境前提更繁杂。带来特定劣势的编纂，好比更深的根可能会致使意想不到的反作用，好比改动种子发育的时间。这些都是迷信家在钻研过程当中必需解决的问题。Busch说，在预测新种子市场化的时间时，斟酌到这一点很首要。
“咱们根本上能够预见到，在温室和试验室里发现的大少数货色，都无奈在”原野里发生预期成果，Busch说。“解决方法是尽量多地去发现，找到胜利的那些。”
终极界限
让通过基因编纂的动物把更多碳保送到公开是一大应战，而确保碳长时间留存在土壤中也绝非易事，这是一片未知的迷信畛域。“这是名目最难的部份，”Ringeisen说。
微生物和真菌组成的菌落复合领会合成动物存入土壤中的碳，将之转化为各种各样的化合物。一些碳是微生物疾速焚烧的燃料，被吞噬后，会把二氧化碳释放回大气。但另外一部份碳不那末容易被微生物合成，由于它们的化学特性，由于它们处于聚合物这类大颗粒外部，又或者它们粘在矿物外表。这些份子造成了不乱的土壤碳库，能够继续几十年甚或更长期。
迷信家仍在试图理解土壤的物理、化学和生物多样性如何造成不乱碳库。IGI钻研团队的土壤专家但愿掌握这些根底识，并利用他们所学增强碳封存。
在生物学方面，加州大学伯克利分校的微生物生态学家Jill Banfield和共事将利用基因测序技术，在通过CRISPR编纂的作物四周的土壤中，钻研特定微生物和碳循环特点。Banfield说，她对寻觅微生物物种特别感兴致，好比像动物那样，间接利用二氧化碳发明本人的食品，或者制作细胞外多糖——这是一种拥有粘性的含糖物资，像胶水同样，增进捕获碳的土壤团圆体的造成。
Banfield说，微生物钻研任务的次要指标是，进一步掌握“土壤状况的根底常识”，以及通过CRISPR编纂的动物带来了哪些改动。在将来，他们也有可能间接革新土壤微生物。往年早些时分，Banfield、Doudna等人颁发的钻研展现了一种基于CRISPR的办法，用以编纂多样化微生物群落的DNA。与明天的微生物基因编纂办法比拟，这是一个微小的奔腾：当初，钻研人员必需先在试验室别离并造就单个物种，这个进程十分耗时，并且容易失败。
但当初就说这类新的群落编纂办法能够用于改良土壤，还为时过早。“土壤是终极界限，”Ringesein说：“但咱们以为存在这类可能性。”
依托原子
在微生物钻研过程当中，劳伦斯·利弗莫尔国度试验室的土壤迷信家Jennifer Pett-Ridge和她的共事有一项十分首要的工作：统计碳原子，从而确保从动物细胞到土壤的全部概念的确可行。
把通过基因编纂的作物搁置在特殊的成长箱，外面充溢了含有稀有的重同位素碳13的二氧化碳；这样钻研人员能够精确获知多少碳被动物排汇，以及在哪里会萃。
“在每个中央，无论是叶子、根、渗出物、微生物细胞，乃至微生物DNA，咱们都发现了碳13，”Pett-Ridge说：“咱们能够量化每个中央减少了多少，又留下了多少。”Pett-Ridge的团队还将丈量一种更稀有的喷射性同位素碳14；这类同位素能够用来预算土壤碳的年代及其循环速度。
Pett-Ridge的碳计算技术“是十分首要的工具，用以显示碳的去向，”科罗拉多州立大学土壤碳解决计划核心的担任人Jane Zelikova说。她没有参预IGI这次的钻研。
“得多人都称土壤碳在减少，但短少证据，”Zelikova说：“你能证实你开收回的办法对土壤碳储量发生了可丈量的影响吗？尤为是对长期留存的份子的影响？以谨严的形式证实这一点很症结。”
从试验室到原野
假如钻研人员胜利培育出能够加强土壤固碳才能的基因编纂水稻，他们但愿（失掉更多资金）对高粱进行一样的基因编纂，高粱是非洲和南亚的次要食粮作物。水稻有助于咱们磨练基因编纂技术，而高粱这类根系更深的亲缘作物能够把更多的碳保送到有排汇才能的土壤中。
终究，钻研人员打算启动国内田间实验，在10年内，把通过CRISPR编纂的水稻和高粱种子交给农民。Zelikova说，这个雄心勃勃的时间方案“与问题的重大性和关涉范围相吻合，咱们必需找出解决方法”。IGI公共影响总监Melinda Kleigman说，现实情况下，钻研团队为农民提供的种子不只能晋升固碳成果，还能带来额定收益，好比进步产量或减少土壤肥力。“假如只能封存碳，我不以为这个名目是胜利的，”Kleigman说：“咱们需求给农民带来更多益处。”
即便钻研团队能研收回带来更多好处的种子，让农民真正用上这些种子也不是一件易事。“农民这一群体对新事物和变动有点抵牾，”Zelikova说：“他们但愿看到种子通过了片面测试，没有危险，才会在本人的土地上播下这些种子。”
一些农民和他们的客户可能对用CRISPR基因编纂技术革新的作物很警觉，毕竟这还是一项十分新的技术。虽然CRISPR编纂过的作物纷歧定被当做“转基因作物”（这个标签通常仅用于含有外来DNA的作物），但相似于“它们不如传统作物”这样的认知可能会妨碍大众承受。跟着CRISPR基因编纂技术愈来愈广泛，推行这项技术的机构应该对生物体的革新进程推心置腹，Kleigman说。“假如人们不但愿本人的社区泛起这类作物，那末咱们应该给他们退出的时机。”
但Kleigman疑心，得多社区但愿用革新作物应答气象变动，顺应这个更酷热的世界。“我以为，要达到这一指标，咱们没有太多其余选择。”
（译者：Sky4） |
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