10月下旬，來自世界各地的作物工程師齊聚倫敦，他們的研究目標雄心勃勃：生產出更有效利用水的稻米、需要更少肥料的穀物，以及透過渦輪增壓光合作用驅動的高產木薯。
作物工程聯盟研討會的150名與會者充滿了想法，並擁有大量的分子工具。得益於合成生物學和自動化的進步，一些專案擁有超過1000個工程基因和其他分子工具，可以隨時在研究人員選擇的作物中進行測試。但這也往往是他們遇到的瓶頸。使用過時的方法來生成具有定製基因組的植物（稱為轉化過程）既繁瑣、不可靠又耗時。
當被問及該領域還存在哪些障礙時，英國諾維奇約翰英納斯中心的植物發育生物學家賈爾斯·奧德羅伊德（Giles Oldroyd）立即回答道：“最大的問題是改進植物轉化。”
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明尼蘇達州聖保羅大學的植物生物學家丹·沃伊塔斯（Dan Voytas）說：“我們都面臨著這個交付問題。我們擁有強大的試劑，但如何將它們送入細胞？”
問題的關鍵在於，數十年來，修改植物基因組，然後從少數轉化細胞中再生出整株植物一直很困難。CRISPR-Cas9 等基因編輯技術帶來了曾經不可想象的複雜作物工程的希望，當研究人員遇到舊的障礙時，這讓人更加沮喪。
9月28日，美國國家科學基金會（NSF）透過宣佈將資助對更好的轉化方法的研究，以此承認了這種挫敗感。該重點是新植物基因組研究計劃中的四個重點之一，該計劃將獲得總計 1500 萬美元的資金。
田納西大學諾克斯維爾分校的植物生物學家尼爾·斯圖爾特（Neal Stewart）說：“每個人都認為這確實是基因工程的瓶頸。”他去年 11 月組織了一個關於植物轉化的 NSF 研討會。“我認為現在有足夠的興趣嘗試找到解決主要作物問題的方法。”
頑固的作物
一些植物，例如矮小的擬南芥（Arabidopsis thaliana），植物中的“實驗鼠”，可以使用一種細菌將基因新增到植物基因組中，從而輕鬆轉化。研究人員將他們想要測試的基因插入到細菌（根癌農桿菌）中，然後誘使微生物感染植物的生殖細胞。當植物產生後代時，它們中的一些會表達新的基因。
但這不適用於許多作物，並且使用農桿菌會引起美國農業部等政府機構的額外審查，因為它被認為是植物害蟲。作為替代方案，研究人員可以使用“基因槍”將包覆有 DNA 的金珠射入植物細胞。然後將這些細胞浸泡在生長激素中，並誘導其再生為完整的植物。一些植物，如玉米，很容易接受這種處理。而另一些植物，如小麥和高粱，則不然。
對於難處理的作物，可能需要幾個月艱苦的細胞培養工作（最佳化生長條件和激素濃度）才能再生出完整的植物。成功的條件不僅因作物而異，而且在同一物種的植物之間也不同。
紐約州伊薩卡康奈爾大學的專家喬伊斯·範·埃克（Joyce van Eck）說，植物轉化專家是罕見的。她在倫敦研討會上說：“我們所做的事情有很多藝術性。很難找到接受過這種培訓的人。”
再加上缺乏對新方法的資金投入，研究人員不得不依賴數十年前的技術。
更好的方法
但隨著尋找替代方案的競爭加劇，這種情況可能會改變。斯圖爾特和他的合作者開發了一種機器人，該機器人可以比手工操作更快、更準確地執行一項稱為原生質體轉化的成熟技術。該方法使用酶來消化細胞壁，從而使研究人員更容易引入新的基因。然而，再生整株植物的問題仍然存在。研究人員使用了類似的方法（沒有機器人）在各種植物中執行 CRISPR-Cas9 基因編輯，包括萵苣和水稻。
細胞培養步驟仍然很困難。斯圖爾特說，他實驗室的一名人員在兩年的時間裡，為了轉化他用於生物燃料研究的一種高草而努力，但沒有成功。但是，酶的成本下降使得研究人員可以進行更多的實驗，而機器人技術提高了產量。斯圖爾特對他的創造物如此著迷，以至於他為它創作了一首歌。他說：“它現在是我們的寶貝。”
其他研究人員，如蓋恩斯維爾佛羅里達大學的弗雷迪·奧爾特彼得（Fredy Altpeter），正在尋找一組基因，當這些基因被開啟或關閉時，會使植物細胞更容易從培養中轉化和再生。他說：“我認為這將導致該技術更廣泛的應用，並使那些不是細胞培養專家的人能夠做出這些改進。”
但是奧德羅伊德說，研究人員不能坐等這些發展。他的專案旨在開發更有效地利用土壤中氮的穀物，將使用舊的、繁瑣的方法來測試數百個轉基因。“我們只需要耐心，”他說。
本文經許可轉載，首次發表於2016年11月2日。