香蕉就要灭绝了,寻找备胎刻不容缓

1989年夏,植物病理学家兰迪·普洛茨(Randy Ploetz)收到台湾寄来的病原样本,在其中,他发现了前所未见的香蕉病原。基因检测显示,那是尖孢镰刀菌的热带4号小种(简称TR4),它生活在土壤中,不受农药影响,通过剥夺水分和营养供给,杀死香蕉作物。

TR4只感染一种香蕉——香芽蕉。世界上的香蕉品种有1000多个,但出口市场完全是香芽蕉的天下。巴西的苹果蕉果小、肉实、味涩;而作为马来西亚菜中的常客,南华蕉的果实更为短粗,甜度更高。但是,没有哪个品种比香芽蕉更吃香。在全球香蕉总产量中,香芽蕉占了47%。根据联合国粮农组织的数据,这相当于每年5000万吨的香芽蕉,占全球香蕉出口的99%。

虽然大行其道,但就基因而言,香芽蕉却是作物中的异类:它有三组染色体,无法实现有性生殖,只能自我克隆。也正因此,它成为规模化种植的理想之选——整个种植园内,对于所有香芽蕉对农药的反应、果实的成熟速度以及每株作物的产出,种植户都了然于胸。香芽蕉植株较矮,在风暴中不易倒伏,也便于喷洒农药,而且能保障高产。

如今,香蕉出口商已建立起一套系统,能让一种热带水果辗转千里之后,比如来到英国超市的货架时,依然只卖每公斤1英镑不到。这种统一性提高了香蕉商的单位植株利润。在此基础上,一个每年80亿美元的出口产业诞生了。

澳大利亚达尔文附近的香蕉园内,香蕉植株已被TR4侵染。为防止疾病传播,该地已被划为生物隔离区。

恐怖的TR4:所到之处,不留活口

香芽蕉并非一开始就是主角。上世纪50年代以前,欧洲和美洲最青睐的是大米七香蕉,它肉质更软,味道更甜,是当时出口市场的主导品种。大米七香蕉皮厚,耐颠簸,能经受住横跨大西洋的长途运输;而香芽蕉味淡,而且皮薄,需要装在纸盒中运输,在当时被视为二等品种。

然而,大米七香蕉有一个缺陷:它易受热带1号小种(TR1)的侵袭。TR1最早出现于1890年的拉丁美洲,后来肆虐拉美香蕉园。

于是,各大香蕉公司别无选择,只能启用香芽蕉这个后备品种。1947年,标准水果公司(现在的都乐)转种香芽焦;1960年,当时世界上最大的香蕉出口商联合水果公司(现在的金吉达)效仿都乐,也开始转种香芽焦。虽然存在诸多缺陷,但相对于大米七,香芽蕉有个巨大的优势:对TR1完全免疫。1965年以后,大米七就从美国超市的货架上彻底消失了。

2013年,莫桑比克首次发现TR4。普洛茨认为,东南亚的香蕉种植工来到莫桑比克时,通过靴子和农具,把TR4传播到了那里。如今,这种病原体已经波及黎巴嫩、以色列、印度、约旦、阿曼、巴基斯坦和澳大利亚。2018年,缅甸也出现了这种病原体。“进而是东南亚,”普洛茨说,“现在到处都是。”

TR4所到之地,几乎不留活口。“就好像有人拿着除草剂,把种植园喷了个遍。”普洛茨说。“香蕉林成片死亡。”这种真菌可以在土壤中潜伏几十年,由根部进入植株,再扩散到运输水和养分的维管束,使植株失养而死。被感染两到九个月后,植株就会空心、倒伏。这时候,底下的土壤已是TR4泛滥,再也不能种植香蕉了。

随着TR4在全球范围内蔓延,并不断向拉丁美洲逼近,香芽蕉的基因统一性越来越像个诅咒。普洛茨估计,TR4灭掉的香芽蕉,或许已经超过了TR1灭掉的大米七蕉,而且,不同于以往,这回,没有抗TR4的品种可以接替香芽蕉了。时间越来越紧迫。“问题在于,它什么时候传到这儿?”普洛茨说,“说不定已经在这儿了。”

到目前为止,作为世界上几乎所有出口香蕉的产地,拉丁美洲暂且逃脱了TR4的魔爪。不过,普洛茨说,这只是个时间问题。“对于中美洲,我们担心的情况是,某个香蕉园发生了疫情,但种植户隐瞒不报,于是到人们发现的时候,它已经蔓延开了。”

面对香芽蕉的灭绝危机,一些研究人员正在争分夺秒,试图通过基因编辑技术,创造出世界上第一种抗TR4的香芽蕉。为此,他们要对抗的,不单单是技术的局限,还有立法机构、环保人士,以及谈转基因色变的消费者。但随着TR4不断逼近拉美,基因编辑也许是香蕉的最后一线生机。

Tropic Biosciences的一名科学家正在检查温室内的一株香芽蕉。

一场长达8年的基因编辑实验

在澳大利亚小镇Humpty Doo的郊外,TR4疫情的一个解决方案已经酝酿了六年。“在北部地区,几乎所有的香蕉种植区都有TR4疫情。”昆士兰科技大学教授詹姆斯·戴尔(James Dale)说,“大部分种植区仍处在关闭状态。”但在一块试验田中,世界上仅有的抗TR4香芽蕉正在死亡的包围下,茁壮成长着。

在长达八年的时间里,培育抗TR4香蕉的关键都藏身于戴尔的实验室。2004年,他从马六甲小果野蕉的植株内,提取出单一基因。这种香蕉的果实很小,一根香蕉最多能长60颗坚硬的种子,每颗直径0.5厘米左右。它可能永远都成不了早餐燕麦上的点缀,但有一点很了不起——它对TR4有着天然的抵抗力。

戴尔把分离出来的抗TR4基因——RGA2——注入一株香芽蕉,但随即遭遇了拦路虎。“法律规定,我们不能把TR4从北部地区带到我们的温室。”他说。澳大利亚实行严格的生物隔离法,不允许任何感染TR4的土壤从受灾的北部地区进入昆士兰,因为那里是澳大利亚香蕉的主产地。

最终,他接到一位种植园主的电话,才有机会将基因编辑过的香蕉投入测试。

这场试验为期三年,于2015年收尾,又过了两年,戴尔的成果才在《自然·通讯》期刊发表。试验结束时,没有抗TR4基因的植株中,67%-100%都感染了TR4或已死亡。而在植入RGA2基因的五个品系中,四个品系的感染率低于30%,另一个则完全没有感染迹象。另一组试验植物的抗TR4基因来自线虫,但也呈现出类似的存活率。

经CRISPR编辑的细胞长成了香蕉苗,研究人员希望日后它能长成抗TR4的植株。

不过,戴尔的抗TR4香蕉还没有接受一项关键试验。他一根都没尝过——连私底下都没有,他说,因为他拿到的实验审批规定,任何人不得品尝相应的果实。结果,世界上绝无仅有的抗TR4香芽蕉,最后都做了肥料。

转基因之争

问题就在于,戴尔的植株被归为“转基因生物”(GMO)。这些香蕉的遗传信息来自两种生物——马六甲小果野蕉提供基因,细菌作为“班车”,将基因移植进香芽蕉的基因组。在澳大利亚基因技术监管办公室的管辖下,转基因生物实验要遵循严格规定,以免对人类造成潜在危害,并尽可能避免转基因植株与天然植物杂交。不过,对于无法实现有性繁殖的香芽蕉而言,这种担忧就没有必要了。

一次,北昆士兰州一片试验田遭到飓风袭击。“所有香蕉植株都倒了。”戴尔说。第二天上午,他接到基因技术监管办公室的电话,对方问:这下,转基因香蕉的遗传物质是不是吹遍了澳大利亚?“我猜是吧。”戴尔故意这么说。其实,由于香芽蕉不能进行有性生殖,其DNA流入其他植物的可能性为零。“无论是在温室,还是在试验田,香蕉也许是所有作物中最安全的一种了。(基因改变)没有机会外流。”

如果接下去的实验取得成功,戴尔就要申请品尝果实,然后将香蕉推向市场。“这些香蕉要获得监管机构的审批,还需要四五年时间。”戴尔说。由于澳大利亚禁止进口新鲜香蕉,政府可能不得不在接受转基因香蕉和取消进口禁令之间作出选择。

在澳大利亚以外的地区,转基因香蕉的未来一片黯淡。在欧盟,获准出售的转基因作物只有64种,而且全都是棉花、玉米、油菜籽、大豆或甜菜的各种版本,其中绝大部分都做了动物饲料。在美国,转基因作物虽然相对普遍,但欧盟从未允许销售转基因水果和蔬菜,香蕉公司也避开了转基因。

戴尔知道,他的抗TR4香蕉不太可能踏出澳洲一步。“哪一天人们接受转基因了,它们就能走出去了。”他说。科学家至今都没能证明,摄入转基因食品会对健康带来任何长期性影响,世界卫生组织和美国医学会也都持这一立场,但一直以来,消费者和环保团体都极力抵制。

包括中国、俄罗斯、日本、澳大利亚、巴西和欧盟在内,几十个国家都通过立法,要求转基因食品进行标注。在美国,很多食品公司都自愿标注“非转基因”字样。2016年,当时的美国总统奥巴马签署一项法律,要求转基因食品必须进行标注,但时至今日,食品生产商迟迟没有响应该法规。

今年4月,美国农业部批准了一种蘑菇,它使用名为CRISPR的新型基因编辑工具来抵抗褐变。按照美国农业部的说法,“现在一组新手段日益被用于新品种的培育,这些品种跟用传统育种方式培育出来的品种并无区别,”对于这些手段,他们不予监管。

美国农业部的逻辑很简单:若你使用基因编辑,在整株植物中只改变一个小小的方面,那么,这跟自然界里发生的没有两样。因此,基因编辑所做的,只不过是加快了自然的育种过程。对美国农业部而言,基因编辑的香蕉,就只是香蕉而已。

2018年7月,戴尔发表了一项实验的结果,在实验中,他使用CRISPR技术修改了香芽焦的基因组,培育出一种白化植株。这表明,用CRISPR来编辑香蕉细胞是可行的,但严格来讲,这些白化香蕉依然是转基因作物,因为它们包含了一小段由细菌植入的DNA,用来从一百万个胚性细胞的溶液里,找到其中5-10%的编辑细胞。到最后,经过CRISPR编辑的香蕉不会包含其他任何生物体的DNA:它们将是纯正的香芽蕉。

Tropic Biosciences公司CEO吉拉德·格申站在一株香芽蕉旁。起初,他的目标是用CRISPR技术研制慢熟香蕉,后来,他也开始研制抗TR4香蕉。

彻底放弃香蕉还是接受转基因香蕉?

在英国诺维奇郊外的一座实验室里,Tropic Biosciences公司首席技术官奥菲尔·梅厄(Ofir Meir)手握着香蕉的未来:培养皿中一簇簇灰色的细胞。再过几个月,这些细胞簇才能生根,加入旁边整齐的幼苗队列。这些幼苗株高不足两厘米,在试管内生长着。少数样品将被移栽到园区另一边的温室。“有朝一日,这些幼苗会变成南美的一片香蕉林。”梅厄说。

就基因而言,试管内的幼苗跟地球上每一株香芽蕉几乎完全一样,不同的只有少数几个基因。梅厄的香蕉采用了CRISPR-Cas9编辑技术,这是2012年发现的一种基因编辑分子,可以通过几把分子“剪刀”,解除生物体内某个基因的作用。正是因为这一技术,抗褐变的蘑菇才避开了美国农业部的转基因监管。

在一个利润率极薄的产业内,用一个小小的改变,创造出更加优质的香蕉,其影响将不可小觑。梅厄培养皿中的细胞簇是编辑过的胚性细胞,可以长成正常大小的植株,但果实成熟速度比香芽蕉要慢。香蕉成熟后会释放乙烯,促进周围果实加速成熟。只要有一根香蕉变黄,整个集装箱内就会发生连锁反应,最多可导致15%的香蕉变质。若能改变香蕉的基因组,减缓其成熟速度,数百万吨的香蕉就不会变质,出口商也能避免大笔的损失。

不过,对Tropic公司首席执行官吉拉德·格申(Gilad Gershon)来说,慢熟型香蕉只是他的初期目标。他的公司同时还在使用基因编辑技术,研制天然不含咖啡因的咖啡,以及不会过早褐变的香蕉。但格申最大的目标,还是抗TR4的香蕉。

Tropic的一名组织培养专家正在查看培养皿中的CRISPR编辑细胞。

然而,CRISPR并不会编辑它接触到的每一个细胞,因此,难点就在于,如何从包含数百万细胞的溶液中,筛选出编辑过的细胞。传统做法是,研究人员植入小段外源DNA,使编辑过的细胞一目了然。但对Tropic而言,这个方法行不通。因为“一旦你使用了可供挑选的标记,它就被视为转基因作物,因为你引入了外源DNA。”梅厄说,Tropic正在开发相应的工具,免去使用外源DNA的必要。

不过,2018年7月25日,欧洲的最高法院做出一项判决,使用CRISPR编辑技术的香蕉,其未来因此蒙上了阴影。欧洲法院判定,CRISPR编辑的作物并不能免受已有转基因法规的监管。在欧盟眼里,戴尔的转基因香蕉和CRISPR编辑的香蕉,终究还是没有太大区别。

“我感到很失望。”植物技术学家乔纳森·内皮尔(Johnathan Napier)说,“我替欧洲的植物科学和农业研究感到失望,替创新人员和试图造福大众的人感到失望。我想,现在,他们要在欧洲使用这种技术,恐怕是非常之难了。”

Tropic的研究人员指出,对着种子疯狂辐射,培育出新的作物品种,这个不在欧盟转基因法规的监管范围;而CRISPR这种精确修改的手段,反倒不能幸免。但格申没有灰心。欧洲只是其中一个市场,他说,美国已经表明,它对CRISPR编辑食品的接受度要比欧洲高得多。按照预计,到2050年,世界上一半人口都将生活在热带地区,而那里的单位面积产量是最亟待提高的。在乌干达、卢旺达和喀麦隆的农村地区,香蕉在人们的日均饮食摄入中,最高可贡献25%的热量。

“我们已经习惯了源源不断的便宜香蕉。”格申说,“但它终有结束的那天。我们得找到一个好的解决方案,让人们能继续吃到这种健康的水果。”是彻底放弃香蕉,还是接受实验室里加速进化的香蕉?面对这两个选择,我们对基因编辑水果的态度或许该重新考量了。

经过一个多月的干旱,诺维奇研究园内的草大多已经枯萎。但在枯黄的草叶中间,点缀着小片小片的绿色。由于一个完全随机的基因组突变,在没有水分供给的情况下,一些植物得以继续生长。香芽蕉就没这么幸运了。因为不能进行有性生殖,它永远都无法在育种中获得有益的突变。不过,虽然它存在种种缺陷,我们毕竟在几千个品种之中,选了这么一种进行了如此大规模的种植。科学家正在与时间赛跑,设法找到一种能同时取悦消费者、监管机构和食品产业的品种;与此同时,香芽蕉正在为生存而抗争。“TR4是不可阻挡的。”格申说,“这只是个时间问题。”

翻译 | 雁行

来源 | Wired

校对 | Lily