利用 CRISPR 对昆虫进行基因改造，以此对抗疾病或农作物毁损，可能比最初设想的更加困难，部分原因在于昆虫种群内部存在遗传变异。
这项研究发表在《科学进展》杂志上，结合先进的遗传学和统计分析，揭示了携带疾病的昆虫（如蚊子）具有某些遗传和行为特征，使这些物种能够抵抗基因操控。
这种抵抗力可能使人们难以利用 CRISPR-Cas9 抗击疟疾或农作物病虫害，例如西方玉米根虫。这种入侵物种每年给美国造成约 10 亿美元的农作物损失。
2010 年代初期 CRISPR-Cas9 系统（简称“CRISPR”）的发现，使基因编辑的精确度达到了前所未有的水平。科学家可以利用这种方法设计高度精准的基因“剪刀”，剪除基因组中特定片段，并用他们选定的序列替换。2015 年底，两位英国科学家率先展示了这种方法能够在携带疾病的蚊子种群中传播不育特征。
“我们发现，物种内部细微的遗传变异，以及许多昆虫倾向于近亲繁殖，都会严重影响利用 CRISPR 技术减少其数量的效果，”印第安纳大学布卢明顿分校生物学教授 Michael J. Wade 表示。“尽管罕见，这些自然产生的抗 CRISPR 遗传变异足以阻止利用基因技术控制种群的尝试，并迅速使野生种群恢复到早先‘CRISPR 之前’的数量。”
这意味着，投入高昂且耗时的基因导入工作——例如引入使雌蚊产卵减少的性状，以控制昆虫种群——可能会在几个月内失效。这是因为雄蚊不叮咬，因此被用于传递新基因，但它们的寿命只有约 10 天。
Wade 补充说，自然发生的遗传变异具有足够强的保护作用，能够抵消基于 CRISPR 技术的“基因驱动”效果，除非基因驱动与特定目标种群的遗传背景相匹配。基因驱动指传播率接近 90% 的基因，显著高于有性繁殖生物通常 50% 的遗传概率。
Wade 是“自私基因”领域的专家。这类基因凭借“超达尔文式”的能力在种群中迅速传播，作用方式与基因驱动相似。他与同事合作，研究基于 CRISPR 的种群控制在面粉甲虫中的效果。据估计，这种甲虫会在收获后毁坏全球 20% 的谷物。
研究团队设计了基于 CRISPR 的干预方案，针对来自世界四个地区——印度、西班牙、秘鲁和印第安纳州——的面粉甲虫基因组中的三个片段。随后，他们分析了这四个甲虫品系的 DNA，发现目标基因序列中存在自然变异，这些变异会影响 CRISPR 技术的效果。
分析显示，四个品系在几乎每个受分析的 DNA 片段上都存在遗传变异，秘鲁甲虫的变异率最高达 28%。值得注意的是，Wade 的统计分析发现，遗传变异率即使低至 1%，只要结合野生蚊子的典型近亲繁殖率，也足以在六代之内使所有基于 CRISPR 的种群控制方法失效。
研究结果表明，利用 CRISPR 技术控制携带疾病的昆虫之前，必须仔细分析目标种群的遗传变异情况。结果还表明，改造基因意外扩散至全球的可能性极低，因为典型水平的遗传变异会在不同地区或物种之间形成天然传播障碍。
Wade 表示：“根据这项研究，任何试图通过这种方法减少昆虫种群数量的人，都应对目标基因区域进行全面的遗传分析，以评估变异率。这有助于预测该方法的效果，也能为如何通过使用序列特异性经过改变的 Cas9 变体来绕过自然遗传变异提供思路。”
美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会为这项研究提供了部分资助。
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