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评估基因编辑在水产养殖中的应用的指南

发表时间:2023/10/25 02:54:28  来源:深蓝牧渔  作者: Daniel   浏览次数:5158  
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导语:水产养殖生产鱼类、贝类和海藻等“水产食品”,对粮食安全至关重要。使用 CRISPR-Cas9 进行基因编辑有可能通过改善动物福利、营养属性和农业效率来改变水产养殖业,并有利于环境的可持续发展。然而,基因编辑也会因对其他重要性状产生副作用或基因渗入野生种群而带来伤害风险。如果风险缓解措施无效或不应用,公众对基因编辑水生物种的接受度将迅速下降。在这里,我们回顾了水产养殖中基因编辑的好处和风险。提出了水产养殖中基因编辑风险效益分析的总体框架,其中包含九个关键考虑因素:遗传影响、生态影响、疾病风险缓解、编辑性质、供应链环境足迹、动物福利、人类营养、道德商业影响和对当地社区的影响。当根据具体情况进行应用时,该框架将有助于确定养殖物种的基因编辑如何最大程度地提高产量和营养效益,同时最大限度地减少对动物福利、环境和社会的危害。


研究人员正在迅速采用使用 CRISPR-Cas9 

进行基因编辑来破坏和测试基因和基因组其他元素的功能。现在几乎可以在任何物种中高精度地定位和编辑 DNA 代码。预计粮食生产将有许多有益的应用,包括提高弹性和动物福利、更高的产品质量和营养价值、以及环境效益,所有这些都将转化为更大的粮食保障和安全。然而,该技术的公众接受度、 可持续性、和法规存在确定性许多政府、研究人员和食品生产商对参与“编辑”食品的开发持谨慎态度。

水产食品对于全球粮食安全、人类健康和营养、为许多社区提供收入和生计非常重要。与其他形式的蛋白质生产相比,水生动物生产产生的温室气体排放量更低,并且可以利用藻类和贝类等低营养物种,这些物种需要很少的人类投入,产生的排放量也很少。确保动物福利和尽量减少环境影响的水产养殖做法是粮食生产可持续发展以及全球粮食安全的关键。水产养殖产生数百种水生物种(粮农组织编制的最新统计数据包括 494 个个体物种,以及在较高分类水平上确定的杂交种和群体),与陆地动植物相比,大多数处于较低的驯化水平,选择性繁殖千年。32基因编辑预计将在发挥水产养殖潜力方面发挥重要作用,4首批两种经过编辑的鱼类品系已在日本商业化,基因编辑在水产养殖中的广泛应用仍存在争议。

在这里,我们回顾了应考虑的关键潜在利益和危害,并基于对利益和危害风险(本文中的“风险”)的系统评估,提出了一个可在全球范围内应用的框架,以评估基因编辑在水产养殖中的应用与特定编辑相关。对基因编辑应用优点的评估应有助于减轻和管理风险,最大限度地提高公众接受度。如果作为一个由国家机构协调的透明程序来评估基因编辑应用的优点,这种评估可能会影响研究的方向,使应用更容易被公众接受和受益,并且对环境和行业的风险较小。

评估框架的制定和审查方法

基因编辑在水产养殖(和其他养殖物种)中的实施尚处于起步阶段。只有在进行了风险评估(例如本次审查中提出的风险评估)后,有关潜在风险和收益相关性的文献才会存在。

基因编辑面临的技术、社会、法律和商业挑战

在农业系统中实施基因编辑是一个漫长而复杂的过程。首先,有必要确定其修饰可能对感兴趣的性状产生积极影响的目标基因。有时可以使用全基因组关联分析来识别和精细定位具有大影响的数量性状位点,并且映射到这些区域的基因表达的对比可能表明可能影响该性状的致病基因。接下来,需要选择实现所需效果所需的突变类型(DNA序列插入或删除、基因激活、抑制或复制、氨基酸改变等)。目前,敲除基因相对简单,但这可能对个体福利和物种生物学产生重大影响。

引入所需的编辑可能会导致脱靶效应或不受控制的上位基因相互作用,因此在进行编辑之前需要对编辑的影响进行彻底的评估(例如,动物福利、食品安全、环境后果等)。实施它来生产供食用的动物。

最后,如果要将编辑引入生产种群,那么我们需要考虑:

(i)应在育种链的哪个级别实施(育种核心、倍增器或农场级别),

(ii)如何有效地实施在该水平上进行编辑(例如,在胚胎或生殖细胞中的传递机制,消除或减少嵌合体)。

(iii)如何使基因编辑与育种计划管理兼容(例如,限制遗传变异性和近亲繁殖的损失,能够逆转对不育等性状的编辑)。

基因编辑和基因改造不仅在生产和实施方面具有技术挑战性,还存在重大的社会、法律和商业化挑战。转基因生物通常被定义为含有从另一物种转移的基因的生物。相比之下,基因编辑通常涉及修改特定目标 DNA 碱基,而不涉及引入其他物种的完整基因。牲畜首次于 1985 年进行基因改造,但很少有基因改造动物被商业化用于食品生产;AquaAdvantage 大西洋鲑鱼是第一个值得注意的例子。食品用转基因动物的生产和销售的审批程序和法律既复杂又具有限制性。默认情况下,基因编辑动物被许多司法管辖区(例如欧盟)视为转基因生物。然而,一些国家已经通过立法,开启了生产基因编辑食品的可能性。例如,英国议会的《2023 年基因技术(精准育种)法案》允许通过基因编辑生产食物,前提是最终作物与自然生产的品种没有什么不同,并且可以防止或最大限度地减少不利影响,日本和巴西等其他国家也有更宽松的立法。

将 CRISPR-Cas9 技术应用于水产养殖领域可能是福是祸,具体取决于编辑的性质、动机以及因创建或接触编辑物种而造成伤害的风险。有利可图的生产将是一个驱动动力,但利益相关者必须彻底评估经济之外的风险和收益。我们做出的有关基因编辑的决定非常重要,可能会影响水产养殖价值链、水生生态系统以及我们的城市、农村和土著社区的所有部分

基因编辑应用的考虑

我们认为,潜在的基因编辑应用应更仔细地考虑对水产养殖价值链、水生环境和社会的广泛危害、风险和利益,并应利用基因编辑来寻找重大挑战的解决方案,而不是利用基因编辑技术来解决重大挑战。寻求商业特征的渐进改进。例如,选择性育种对于许多性状都非常有效,例如,每代的生长率提高约 12%(当改进的全部重点都集中在该单一性状时)。因此,基因编辑应侧重于引入从头变异,以产生对可持续发展或动物福利至关重要的性状的“飞跃”变化。

基因编辑与选择性育种完美地协同作用,因为它可以有效地从育种目标中删除某种性状(例如,如果经过编辑的动物对某种疾病具有高度或完全的抵抗力),从而使育种计划能够更加重视其他性状选择指数。

动物健康和福利

世界各地的水产养殖正在大幅扩张,细菌、病毒和寄生虫疾病的爆发难以预防和控制,成为一个持续存在的问题。疾病可以伤害、削弱或杀死感染者,对动物福利产生明显的有害影响。当它们存在时,预防和治疗方法并不完全有效,常常会引起福利问题(例如,涉及拥挤、抽水和洗澡),并可能对周围的生态系统产生更广泛的负面影响(例如,抗生素治疗,这也可能导致抗菌素耐药性)。如果有可能利用基因编辑使养殖动物对特定疾病具有高度或完全的抵抗力,这将为实施这项技术提供强有力的道德论据。

这一策略的一个警告是,与选择性育种相比,疾病因子在一个或几个基因的编辑中可以更快地进化出抗性/避免,而选择性育种通常会导致基因组中许多基因座的变化。例如,大西洋鲑鱼中的传染性胰腺坏死病毒会迅速突变,并产生不同毒力的新变种。有迹象表明,通过选择性育种固定的大西洋鲑鱼对疾病具有高抵抗力的主要性状基因座对病毒的某些变体没有那么抵抗力。继续对这些性状进行选择性育种可能会起到后备作用,并使病原克服宿主抗性变得更具挑战性。

大西洋鲑鱼对传染性胰腺坏死的抵抗力是一个特例,其中单个基因对抵抗力具有非常大的影响。但在大多数情况下,抗病性受到许多对性状影响较小的基因的累加效应的影响。使用基因编辑来模拟数量性状基因座可能没有什么价值(即创建多个基因编辑,每个基因编辑对性状的影响很小)。但如果这些基因的功能得到很好的了解,就有可能为其中一些基因设计从头编辑策略,从而对抗病性等数量性状产生更大的影响。

食物链影响

鱼类和贝类是高营养食品,具有许多积极的健康益处,并且有可能利用基因编辑使这些动物成为消费者更健康的选择(例如,更高的 omega-3 脂肪酸水平)、更理想的选择(改善质地、颜色、和风味)并帮助应对粮食安全和供应挑战。水生动物中疾病的爆发有时会对发展中国家农村社区的生计和营养供应产生毁灭性的当地影响。还有可能利用基因编辑来创建抗病菌株或具有理想特性(例如,对高盐度或低盐度环境中的生产具有更大耐受性)的“定制”产品系。通过基因编辑对影响这些性状的关键生物途径进行改变可能会产生巨大的影响。例如,鲤鱼的肌间骨和刺可以通过基因编辑技术去除。鲤鱼(例如草鱼、鲤鱼、南亚野鲮)是整个亚洲养殖最广泛的鱼类(每年约 2500 万吨 ,并且是膳食蛋白质的主要来源。让鲤鱼变得更美味、更容易食用可以促进消费并改善数亿人的营养,但评估使用基因编辑来实现这一目标的总体好处和陷阱非常重要。

对自然的影响

水产养殖中基因编辑的主要考虑因素之一是对野生物种和生态系统的积极或消极影响。改善水产养殖资源利用优化的变化(例如,提高饲料转化效率或生存率)可以产生积极的环境后果(减少资源使用、温室气体排放和废物),例如对于非洲的鲶鱼养殖。在植物作物中,用于提高蛋白质回收率的基因编辑预计将减少全球变暖的影响、陆地酸化、土地利用和生态系统破坏(例如,用于升级马铃薯品种)。

人们认为,一些自然水生种群中的疾病在很大程度上是由养殖场的繁殖和传播造成的(例如大西洋鲑鱼)。与上一节相关,用于抗病的基因编辑可能会减少病原体的数量和繁殖率,从而减少从水产养殖场到自然种群的繁殖和传播(即具有“群体效应”)并改善人们的健康。养殖和野生种群。

许多水产养殖物种面临的主要挑战之一是野生同类的存在及其在同一环境中的共存。基因编辑对本质造成损害的主要风险可能是由于基因渗入,即逃脱的基因编辑个体与野生同种或同属繁殖,产生携带编辑基因的野生后代。通过养殖与野生大西洋鲑鱼的遗传相互作用,基因渗入已经在某种程度上发生。基因渗入可能会导致生态和进化影响,具体取决于编辑基因的适应性值。以想象,增加野外适应性的编辑可能会传播到野生种群中,并产生显着的生态影响。不影响农场与野生杂交品种适应性的编辑可能会作为野生基因库的生态良性“腐败”而持续存在。最后,如果编辑在野外是有害的,那么与逃亡者或农场野生杂交的野生个体将产生适应性降低的后代,导致编辑的基因通过自然选择而丢失。如果渗入事件很少见,这可能被视为理想的结果,尽管这种类型的频繁渗入可能会威胁受影响野生种群的持续存在。例如,生长激素基因的基因改造可能会给鱼类带来繁殖优势,因为它们体型较大且成熟较早,因此如果将其释放到野外,而此类鱼类的后代在野外的适应性可能较低,并且释放的模型此类鱼类预测这可能会导致野生种群规模减少。

这些问题尤其适用于某些容易发生逃逸事件的水产养殖实践。例如,当网栏或海水网箱被损坏时,当大雨或洪水期间池塘溢出时,或者当肥沃的鱼群产卵及其后代进入周围环境时,就会发生逃逸。水产养殖中的逃逸者可能未被发现,并且大多数无法被重新捕获,增加了基因渗入的机会。此外,许多养殖物种在野外具有惊人的扩散能力,个体以浮游幼虫、幼体或成体的形式游历数百公里,这意味着逃逸事件可能在一代人内产生区域性而不是局部性的后果。虽然强制性技术标准和工程进步可以减少逃逸,完全避免是不可能的。然而,为了使遗传影响发挥作用,逃亡者需要与野生同类成功繁殖并产生可存活的后代。这为一系列缓解措施打开了大门,这些措施甚至在逃逸事件发生后也能发挥作用,包括基因编辑以实现不育,挪威大西洋鲑鱼已完成概念验证工作  ,这可能会实现广泛目标公众支持。人们还可以想象未来的创新,利用基因编辑引入一些特征,降低逃亡者进入自然环境后的生存率或竞争力(例如,在缺乏特定饲料成分的情况下激活的特征)。此类创新可以最大限度地减少生态和遗传影响的可能性,并提高水产养殖的可持续性。

实施和传播

在大多数情况下,基因编辑的实施和传播将受到水生物种的生物学特性的促进,例如体外受精和高繁殖力,以及具有相对较少或没有增殖层的水产养殖育种计划的结构。但如果没有有效的实施手段和计划,潜在的社会效益将无法充分实现。为了使福利、营养价值或可持续性方面的重大改进在整个行业得到普及,需要制定大规模实施的计划。

在现有育种公司和繁殖者为多个客户和国家提供服务的情况下,这些客户和国家在基因编辑种群的进口和生产方面具有不同的政策和/或法律,可能需要创建编辑个体作为现有选定个体的“替代产品”个人。需要仔细探索和评估建立新基因编辑产品线的选择,以找到最适合每家公司情况的方案。选择可能包括分裂育种核心并继续对编辑和非编辑个体进行选择性育种计划。或者,可以保留单个育种核心,并在乘数水平上对某些个体进行编辑。复杂的因素包括:编辑的效率以及是否需要进一步育种来产生完全纯合的编辑个体;将针对多少种不同的特征,以及是否应该为每个特征创建单独的编辑个体系;是否也需要不育以及是否应该通过基因编辑来创造不育个体;通过基因编辑“逆转不育”来培育不育个体的能力;编辑对性状的影响大小以及每个性状是否需要进行一次或多次编辑;以及使用经过编辑的生殖细胞或其他“高通量递送系统”的替代亲鱼的选项。

基因编辑如何在时间和空间上进行部署,以及如何与其他实践(例如特殊饲料、环境控制和生物安全)结合起来,也需要考虑。例如,减轻逃亡者影响、疾病向野生种群传播或疾病媒介逆进化的努力的有效性可能会有所不同,具体取决于基因编辑个体的使用地点。生态进化模型可以帮助预测如何最好地实施基因编辑以实现最大可能的利益。

公众接受

公众接受度是基因编辑在水产养殖中成功应用的关键决定因素,所有利益相关者都将从消费者积极看待基因编辑应用中受益。为了让公众接受基因编辑,或者给基于事实拒绝实施该方法的机会,良好的科学交流和研究成果的传播是必要的。应该进行公众参与,以表达意见、反思和关切。生产商和监管机构需要提供理由并减轻人们对如何以及为何应用基因编辑的担忧,并证明其好处远远大于对社会、动物福利或环境造成危害的任何风险。在基因编辑动物进入生产系统之前,此类评估需要公开。科学家、工业界和监管机构需要与土著社区密切合作,以确保可能的变化不会影响物种的文化意义及其在环境中的地位。我们认为,在决定进行哪些申请时必须做出合理的判断。

就大西洋鲑鱼(全球最有价值的水产养殖商品之一)而言,利益相关者认为三个主要道德原则非常重要:福利、诚信和标志性地位,其中保护环境和野生鲑鱼关键可持续性问题。根据挪威进行的调查报告,大多数消费者认为基因编辑应用具有明确的社会和可持续性效益(例如促进鱼类健康和减少环境影响),是积极的,而注重生产性状或对动物产生负面影响的应用福利会引起负面反应。此外,研究发现,印度和北美消费者更倾向于更自然的生产方式,这些偏好推动了散养养鸡和有机品牌等做法的采用。因此,如果所做的改变更接近自然界中发现的变异的程度和类型,那么公众对基因编辑的接受度可能会更高(例如,通过插入新 DNA 序列进行的总体改变可能不太被接受) 。

选择性育种通过选择种群中最好的遗传变异来推动遗传改良。这些遗传变异是由于不同遗传位点发生自然突变而产生的。基因编辑与选择性育种一样,是驱动遗传改良的一种手段,然而,在基因编辑的情况下,突变过程受到控制,并直接影响特定目标基因的功能。我们认为,考虑为什么选择育种的遗传改良被公众普遍接受以及为什么相比之下,对其他形式的遗传改良(例如基因改良)的潜在后果有更多的不确定性和担忧,是相关且有趣的。编辑(例如,挪威用户对转基因食品的态度。选择性育种的普遍接受可能是由于多种因素,包括它是数百年来用于提高粮食产量的行之有效的做法、公众对陆地动植物品种的熟悉程度、自然发生的遗传变异的选择以及它产生缓慢而渐进的性状变化。相比之下,基因编辑引起的变化可能是通过一个或几个基因编辑步骤产生的巨大影响的从头变化,有可能对目标表型产生比选择性育种更快、更明显的影响(尽管编辑可能会继续下去)。基本上没有被注意到,并且可能成为公众心目中的“新常态”)。

一些社会和人群似乎比其他社会和人群更容易接受基因操纵的概念(取决于社会经济背景、文化环境、教育等)。关于该主题的对话可能并不总能改变公众对风险的看法。即使风险不明显,关于使用基因技术的道德立场也可能占上风。传播者的可信度和善意将对公众对基因编辑的态度产生重要影响。变革的方式也会影响人们的看法。例如,消除不利的表型可能比提高生产力更容易被接受。

在开始评估之前,系统会提示用户组考虑该问题是否已经存在有效的替代解决方案,如果存在,基因编辑是否合适。还提示用户组考虑确保易于传播和实施的策略(传播和频率导致利益的传播和吸收)。如果用户组继续进行,他们会被邀请对他们的应用程序在特定关注领域的好处和风险进行评级。我们列出了 9 个关键考虑因素作为起点:

  1. 对野生种群的潜在遗传影响。

  2. 潜在的当地生态影响。

  3. 对养殖和野生种群疾病风险的影响。

  4. 编辑的破坏性(公众看法)。

  5. 对供应链环境足迹的影响。

  6. 对动物福利的影响。

  7. 对人体营养的影响(数量和质量)。

  8. 道德商业实践(经济受益人和透明度)。

  9. 对当地社区的影响(可持续性、收入、就业)。

对于每个关注领域,用户应做笔记以描述潜在益处和/或危害的基本原理,并使用下拉框来评估影响的概率以及益处和/或危害的程度。风险缓解措施及其对负面影响的剩余概率和/或损害的剩余程度的影响也应记录在评估框架的最后一栏中。评估框架的术语和计算选项卡(补充材料1)中提供了描述如何使用评估框架及其执行的计算的更多详细信息 。潜在的环境危害或效益是考虑因素1、2、3和5的一部分,用户群体应熟悉针对转基因生物开发的现有环境风险评估和管理方法。

一个假设的示例案例,即增强大西洋鲑鱼对寄生鲑鱼虱子Lepeophtheirus Salmonis的抵抗力的基因编辑,被填充到补充材料中包含的 Excel 电子表格中(图2a中可视化的预评估 和图2b中可视化的主工作表的一部分 , c ). 该框架可以轻松扩展和调整以适应不同的情况。补充模型包括评估框架使用的术语和应用的自动排名(根据图3所示的收益和风险矩阵)的描述 。评估框架工作表自动计算的最终分数是拟议的基因编辑应用的平均总体风险收益比。这是一个相对值,最大为 3(高度有益和可持续的风险),最小为 -3(无益处和严重风险)。

结论

公众对水产养殖和基因编辑技术的看法存在分歧。科学家、监管机构、水产养殖生产者和育种者需要公开负责和透明,以便消费者充分了解基因编辑以及围绕不同主张的替代观点。在开始涉及基因编辑的项目之前,我们需要考虑编辑是否会给人类健康、动物福利、粮食安全、自然环境和当地社区带来好处,或者它们是否只会增加利润。我们还应该质疑,当基因编辑可以为水产养殖中其他棘手问题提供潜在解决方案时,不采取行动在道德上是否可以接受(小心权衡潜在危害的风险)。参与基因编辑应用评估的研究人员和行业代表不应对该应用有经济利益。在某些情况下,科学界的善意说服可能是有道理的,但一般来说,科学家应该主要努力让事实为人所知。科学界中少数人不负责任的行为可能会损害整个科学界和整个水产养殖业。

基因编辑有可能为水产养殖中一些最棘手的问题提供解决方案,但水产养殖部门需要深入考虑使用这项新技术的各种积极和消极后果。政府、研究人员、土著社区、消费者和产业界应共同努力,根据具体情况评估基因编辑的优点。

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