基因编辑（Gene Editing）技术是在基因的特定位点上进行精准定位，同时以特定的技术来对某些基因进行改造，促进农业的快速发展[1]。基因编辑，指对所需的目标基因进行人为改造，通过一些技术手段，使得碱基缺失、替换和改造，以改变目的基因的表达量或功能。基因编辑技术自诞生以来，发展迅猛，逐渐应用于多个领域，使生物学迎来了革命性的突破。基因编辑首先识别目标基因，通过不断改造基因组的DNA来实现对患病基因的修复和剔除[2]。作物选育，又称品种改良，以高产、稳产、优质和高效为选育的主要目标。但选育目标还一定要根据当地品种的生长状况、品种基础、自然环境、耕作制度、种植程度和市场经营要求等综合因素，并随着产品的演变而不断进行调整。这是一项十分复杂的工作，需要多年经验的积累，其必须以本区域最主要的栽培作物为标准，并经过不断改良育种方式，从而将育种目标系统化。在过去数十年里，基因编辑技术在植物学中发展迅猛，尤其是对成簇的间隔短回文重复序列（CRISPR）/CRISPR相关蛋白（CAS）及其变异体的编辑[3]，对于国民经济具有十分重要的意义[4,5]，这已经成为植物研究中的一项强大的技术并且可能成为植物育种游戏规则的改变者。随着CRISPR/CAS技术的逐渐成熟，许多CRISPR技术已经应用于植物育种领域并且取得突破性进展。

但是在植物育种中，通常因为产量、性状等一系列的原因使得育种的效率非常慢，且农药的过度使用对人体和环境造成很大的危害。通过基因编辑技术提高作物产出率以及蛋白质量[6]，对于植物食用率和消化率有着很大提升。通过在单个品种中堆叠基因，使用敲入技术改变多个精英性状，这对作物性状改良具有很大的价值[4]。以往植物组织中硫苷含量少，通过此技术使得植物营养组织中含有较多的硫苷，在植物发育初期的种子阶段硫苷含量大大降低，同时也可以减少鸟类的侵袭[7]。显然，与传统方法相比，利用原生质体系统进行基因敲入具有更高的效率和准确性。

1、通过基因编辑在植物育种中提高植物的抗病性

在植物的染色体上插入、替换某些基因组来改变植物的某些特性一直以来都是难以克服的科研难题，而CRISPR/Cas9技术则将这样的一个难题变为了可能，其通过在植物种子中嵌入抗病性基因，可以增强植株的抗病性。

1.1植物抗病基因插入

利用CRISPR/Cas9技术断裂DNA双键，其结果就是可以使得目的基因片段与供体DNA片段两端序列相同。于是，同源修复性方式在编辑受体的开启下进行。供体DNA的片段将会“黏贴”到之前断裂的双键位置上。这是一种神奇的方式，能极大地提高基因利用率，能够“吸引”多种优良基因，因此，传统育种中出现的问题就能迎刃而解。此方法便捷高效，未来发展空间极大[8]。即使CRISPR/Cas9技术已经在水稻、玉米[9]农作物中应用许久，但还暴露出许多问题，其中之一就是编辑效率过低，主要原因就在于植物体内存在抗性基因。现代的专家们通过科学研究得出了2个可以提高目的基因确切插入植物总体基因组的方式。方式一是先利用了小麦中的矮缩病毒WDV作为媒介，通过不断地驯化，使得病毒的拷贝数始终处于提升的状态，因此插入准确度提高。研究显示，利用这种方式插入水稻[10]中的效率可以达到20%，大大超过了在以往植物基因组中的插入率。方式二是以CRISPR/Cas9技术和一对g RNA为工具，将目的基因直接在同一载体上提取，运用此方法使得包括水稻在内的多种植物的靶向基因插入和替换变成了可能，随着科学技术的发展，运用将逐渐增多。以CRISPR/Cas9为基础并不断延伸的方法，为育种方面基因的精确插入提供了一个新的可能和方向。

1.2精确编辑植物基因提高抗病性

农业中为了改变基因的功能，可以精确地编辑一个或者数个基因，使得整体的功能改变，从而增强作物抗性的同时并且能够不断提高作物的某些优良的基因和性状。研究表明，高效的定向转换基因组序列技术CRISPR/Cas9在改良作物方面的优势不可比拟，对于单碱基编辑技术（Base Editor）来说，应用CRISPR/Cas9这项技术可以克服长久以来的问题。这项技术是基于一个突变的Cas9蛋白与胞嘧啶脱氨酶组合成一个新的蛋白，随后在指引对象g RNA的引导下进入靶位点。脱氨酶在此过程中起到了至关重要的作用，因为其对碱基转换来说至关重要，只有脱氨酶表现正常，碱基替代才会精确。需要注意的是，即使是在同一个编辑方式下，因为靶位点的不同，编辑效率千差万别，产生这一现象的原因还需进一步地探究。此外，Cas9介导的碱基无论是编辑性以及替换效率都远高于同源定向修复效率，因此具有很大的应用前景和研究价值。通过精确编辑，把抗病基因插入到植物种子中，培育出来的植物具有显著的抗病效应，对于不同的疾病，可以插入不同的抗病基因并且精确编辑，使得作物抗病性增加，提高作物的经济价值。

2、通过基因编辑改良种子品质

现代育种中，野生植物品质通常会遇到很多问题，产量高的同时但抗病性差，比如野生水稻常患的稻瘟病[11]，野生型抗病性高但是产量低，或者性状不统一，很难综合这两者的优点。利用基因编辑技术把植物的优良性状进行综合，修改种子基因，以此改良植物的品质是现代基因编辑育种中常用的手段之一，可以解决育种过程中植物的不育或者繁殖不佳的难题。

2.1改良产量相关基因

定制的RNA引导的Cas9也被广泛应用于修改决定作物产量的性状。现代品种在许多作物中表现为半矮化变种，不容易倒伏，氮肥施用能力增强，收获指数提高，即收获的种子或谷物在地上总生物量中所占的比例不断增加。进一步微调这一性状以适应不同的环境和区域需求，产生更多的优良遗传性状仍然是人们高度关注的问题。现代的植物育种中追求的仍然是高产量，高稳定性遗传性状，如矮秆和半矮秆植株是通过敲除油菜籽中的Bol C.GA4a基因产生的ER1、ER2、SEC3a[12]和Dep1。半矮秆油菜也是通过选择携带Ba A6.RGA基因缺失的突变体来创造的，从而保留了其翻译阅读框架，进而提高油菜籽的出油量和油菜的产量。这一原理提供了实现功能修饰的机会，而不是完全丧失目标基因的功能。开花期和果实成熟期从营养到生殖阶段的发育转换的时间规律是产量的另一个重要决定因素，因此为不同的农业制度和地区条件量身定做品种时必须考虑到这一点。水稻和番茄的加速成熟是通过敲除Os Hd2、HD4、HD5和SLSP5G基因。相比之下，Gm FT2基因敲除导致大豆开花时间延迟[13]。Li等[14]证明了长的非编码RNA1459的突变导致番茄果实成熟延迟。

2.2修改种子基因

种子的数量和重量是产量的直接决定因素。现代科学的目标是改善种子的这两个性状。研究发现了Os Gn1a、DEP1、GS3和IPA1基因的突变，通过CRISPR/Cas9来改造谷物或种子性状[15]，或者通过敲除种子中的GW2、GW5和TGW6来增加粒重，同样的原理可以应用于其他植物中。在油菜当中通过敲除CLV3基因的2个同源等位基因，油菜的子房室和种子数都得到了增加[16]，科研人员在番茄方面采取了更复杂的方法，证明通过产生一系列具有不同片段缺失的CLV3启动子变体，可以获得子房室数量和果实大小的整个范围的变异性。Cas9介导的AGL6基因被敲除导致番茄无核果实的形成。通过敲除油菜的Alcatraz基因，减少了种子碎粒，提高作物的品质。

3、通过基因编辑植物种子提高植物营养

3.1敲除某些基因提高营养含量

定点基因敲除也被证明有助于改善饲料和食物的营养，使其营养价值更加均衡，更有利于人类和家畜的吸收。研究表明，哺乳动物体内没有消化植酸的酶，植酸堆积在体内会影响蛋白质、脂肪等物质的吸收，而玉米当中的IPK基因决定着植酸的产量，利用CRISPR/Cas9技术敲掉玉米当中IPK基因，会使得植酸的含量急剧下降。靶向敲除水稻的SBEI和SBEIIb基因导致支链淀粉含量大幅降低，有利于谷物中的直链淀粉部分增加，淀粉优先在结肠而不是在小肠中消化，由此产生的所谓“抗性”，这可能有助于减少II型糖尿病的发生。Sánchez-León等[17]采取了一种相对具有挑战性的方法，他同时敲除了小麦多达35个的α-醇溶蛋白基因，导致谷物的低面筋含量和免疫反应性大大降低。在新兴的油料种子植物中，FAD2基因被敲除，从而使单不饱和脂肪酸的比例增加到50%以上。这种方法是Cas9技术至关重要的另一个例子。在另外的研究中，通过敲除FAE1基因可以减少超长脂肪酸的含量[18]。通过对参与类胡萝卜素生物合成途径的几个基因进行多重定点突变，在番茄果实中富集了营养价值很高的复合番茄红素，使得番茄的营养价值翻倍。

3.2定点基因修饰提高植物营养

有针对性的基因组修饰也不断在植物育种方面被应用。以往的研究发现，如果要实现杂交育种，必要的一个条件是在雄性可育和雄性不育之间能够随机互换。例如，玉米（MS26、MS45）和水稻（Cs A、TMS5、PKS2）与花粉功能有关的不同基因已被修饰，形成雄性不育。在此背景下，通过修饰籼稻SC-I基因3个串联重复拷贝中的1个或2个，揭示了籼粳杂交稻雄性不育的一种新的基因剂量依赖性机制，这可能促进了杂交稻米杂种优势的使用。随着人类生活水平以及生存环境的日益改善也促使人类对食物有了更高的要求，同时他们对食物本身的营养与风味标准有了很大的提高。支链淀粉含量高的水稻更易消化且风味优良，因此其购买量逐年增加。Zeng等[18]通过编辑一个内含子Wxa5'UTR，使得水稻中的直链淀粉含量大大降低，增加了水稻的经济价值和营养价值。经实验证实，利用CRISPR/Cas9系统对水稻不同基因进行编辑，使得水稻性状向营养价值高且易于人体吸收的方向突变，可以提供优质的水稻资源，增加水稻的经济价值，同时为水稻的优质育种提供了理论基础。

4、通过基因编辑植物种子提高植物风味

在传统育种过程中经常会遇到这样的问题，即培育的经济作物的风味很差，即使具有很高的营养价值，但由于风味很差，也很少有人问津，导致作物的经济价值很低，解决这个问题迫在眉睫。通过基因编辑技术可以改良植物的风味，提高作物的经济价值。

4.1编辑稳定风味的性状

利用CRISPR编辑技术，首先可以通过自交和杂交的遗传分离获得不含转基因的衍生品。此方法利用一个荧光盒，作为CRISPR/Cas9结构存在的标记。通过此标记筛选风味基因，把口感好的基因保留，口感差的基因敲除，使得作物产生风味优良的性状。另一种方法是使用自杀基因CMS2和BARNASE杀死植物产生不良风味的花粉和胚胎[19]。上述方法的目的就是获得植物的某些特定风味的优良基因，然后导入到植物体中，这样就可以得到稳定遗传的性状。

4.2通过基因编辑在植物种子中引入优良风味基因

在食品工业中，可以生产各种香料，在食品生产过程中将香料放入，可以提高食品风味。基于同样的道理，可以通过基因编辑的方法把其他作物中的优良风味基因引入植物种子中，通过植物育种培育出作物，产生的作物就拥有了优良风味，这种方法在小麦中首次被报道。首先用基因编辑技术体外改良风味基因，然后用基因枪法将CRISPR/Cas9携带风味基因的质粒导入小麦幼胚，在没有选择压力的情况下获得再生植株，获得的植株经过培育之后进行基因检测，确保风味基因导入并且能够稳定遗传。

5、通过基因编辑植物种子增加植物的适应能力

5.1单个多次基因编辑提高种子适应力

随着世界人口的增加，环境污染的加剧，传统粮食的发展面临巨大难题，利用基因编辑技术增加作物的适应能力关乎农业的发展与人类的未来。首先通过基因编辑，在植物中加入耐旱基因，耐旱基因表达之后，再进行耐旱基因的嵌入，这样每次插入单个基因，可以使得植物性状更容易观察，使得植物可以在盐碱地里生存，增加植物在极端环境里的生存率，从而提高植物产量。

5.2单次多组基因编辑提高种子适应力

运用CRISPR/Cas9多重基因组编辑技术方法，对控制水稻籽粒形状的调控因子基因GS3和GL3.1进行突变。研究发现，GS3突变体籽粒细小，而GS3GL3.1双突变体籽粒圆润饱满[20]。如果把控制水稻干重的一个主要基因TGW6敲除，则收获种子的干重有增加迹象。测量后发现，敲除TGW6基因的水稻种子的干重增加5%。越来越多的研究表明，纯合突变会使水稻单株产量增加[21]，为解决水稻纯合突变不足的问题，利用CRISPR/Cas9技术控制水稻基因Os Gn1a，增加纯合突变的概率。在多个突变类型中，基因TGTG的插入导致了水稻的株系、株高、穗长、穗粒数与野生类比都有不同程度的提高，与此同时，水稻的抗倒伏以及抗病性与野生型相比也有相应程度的增加[21]，而且植物适应环境的能力进一步增强。Os PAO5基因会抑制水稻籽粒的大小和产量，Cui等[22]利用CRISPR/Cas9技术将其敲除，敲除后的水稻大小和产量与野生型相比有了显著的提高，同时突变后水稻的抗逆性、胚轴伸长率都有了一定程度的上升。整体来看，敲掉了Os PAO5基因的水稻有着巨大的发展前景。

6、总结与展望

基因编辑能够定位基因的不同位点，利用工具对基因进行插入、敲除以及修饰。改变基因片段，从而对不同的基因进行控制。在迈入新世纪以后基因编辑技术迅速发展，呈现井喷之势，现代育种技术与基因编辑技术互相结合突破了以往传统育种的种种局限性，使得植物可以按照人为希望的性状进行改变，提高植物的抗病性，改良种子的品质，提高植物的营养以及风味，增加植物的适应能力，从而使作物经济价值提高。

在科学技术不断发展的今天，传统育种显得越来越“力不从心”，主要是因为传统育种进程缓慢，不可控因素极高，基因编辑技术在这个时候就体现出了独特的优势，作为一种新兴的技术，其在时间和成本面前与传统育种相比有着很大的改良，过去那种依靠耗费大量人力物力进行育种的场景不复存在，取而代之的是通过基因编辑技术不断地对基因进行编辑以及定向改造。对于优势基因，科学家通过基因编辑使其过表达，对于劣势基因或者有害基因，通过沉默敲除使其不再表达，在一系列的操作下，种子就会朝着科研人员希望的方向发展，这为未来的育种工作描绘了一幅美丽的蓝图。

但基因编辑技术仅仅起源几十年，虽然发展很快，但也面临着很多问题。一个就是成本问题，基因编辑的成本相较于普通育种来说成本还是很高，同时，基因编辑在植物育种上存在一些性状不稳定的问题，这都是未来急需解决的问题，需要不断进行探索，以期用更加简单的基因编辑方法在植物育种中创造更大的经济价值。

参考文献:

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基金资助:甘肃省教育厅重点研发计划-社会发展类项目(20YF3FA038);

文章来源:周千,沈月,王学涛等.基因编辑在植物育种领域中的应用进展研究[J].智慧农业导刊,2024,4(05):65-69.