在戰(zhàn)爭、疫情等不可抗力因素之外，全球城市化率和人口增長的提高、糧食生產(chǎn)與消費比例的大幅下降、全球氣候變化可能引起的非生物脅迫、植物全球流行病的潛在威脅等因素也在影響著農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。一萬年來，科學家和育種學家們一直致力于開發(fā)和改良農(nóng)作物。目前，用100年前相同數(shù)量的土地可以供養(yǎng)之前10倍多的人口。育種對農(nóng)作物產(chǎn)量的定向進化，以及確保糧食供應和安全方面都發(fā)揮了至關重要的作用。

農(nóng)作物育種的發(fā)展

早期作物馴化基于表型篩選，分子機理未明。19世紀孟德爾定律揭示基因控制性狀，推動雜交育種興起，結(jié)合優(yōu)良性狀。隨后，雜交、誘變、轉(zhuǎn)基因技術引領現(xiàn)代定向育種。分子生物學與測序技術革新，引領作物育種進入分子時代，NGS技術積累大數(shù)據(jù)，促進基因功能研究。高密度分子標記助力農(nóng)藝性狀關聯(lián)分析，指導分子育種。多組學技術深化作物發(fā)育理解。CRISPR/Cas基因編輯技術突破，實現(xiàn)精準基因調(diào)控，提升作物產(chǎn)量、質(zhì)量及抗逆性，且操作簡便高效，開啟精準分子育種新紀元。

 Int J Mol Sci. 2020 Apr; 21(7): 2590

CRISPR/Cas基因編輯

與農(nóng)作物育種

CRISPR/Cas基因編輯具有許多潛在的應用，如基因敲除、敲入、基因突變、堿基編輯以及CRISPR/Cas介導的基因調(diào)控和表觀基因組編輯。

CRISPR/CAS基因組編輯在基因功能研究中的應用【1】

基因敲除是CRISPR/Cas基因編輯系統(tǒng)的主要應用之一，已廣泛用于多種植物物種中單個基因的敲除。其優(yōu)勢在于基因編輯的特異性，快速而精確地沉默單個基因，而沒有其他副作用。這項技術對于研究基因功能或消除由特定基因控制的一些不良性狀非常有用。

基因敲入或替換利用CRISPR/Cas9技術切割DNA后，通過同源重組將外源基因定點插入基因組。盡管長序列插入在植物中仍具挑戰(zhàn)，但研究者正探索提高效率的方法。哈佛大學的prime編輯技術（2019年）利用nCas9與逆轉(zhuǎn)錄酶融合，結(jié)合pegRNA，實現(xiàn)基因修復與替換，已成功應用于水稻、小麥等多種農(nóng)作物。同時，CRISPR/Cas堿基編輯技術也迅速發(fā)展，通過nCas9或dCas9在gRNA的幫助下結(jié)合特定DNA序列，融合堿基轉(zhuǎn)換酶（如胞苷脫氨酶（CD）將C轉(zhuǎn)T，腺嘌呤脫氨酶（AD）將A轉(zhuǎn)G）以修復點突變，特別是CD介導的編輯在小麥、玉米等作物中研究深入。

CRISPR/Cas基因編輯

在農(nóng)作物改良中的應用

CRISPR/Cas基因編輯已成為成熟的尖端生物技術改良工具，應用于作物的各種性狀改良，包括病原體抗性、非生物耐受性、植物發(fā)育和形態(tài)、次級代謝等。同時，CRISPR/Cas基因編輯還被用于研究農(nóng)作物馴化，賦予特定農(nóng)作物的某些獨特性狀。

CRISPR/CAS基因組編輯在作物改良中的應用【1】

a.提高作物產(chǎn)量

提高作物產(chǎn)量是由多個基因和基因調(diào)控網(wǎng)絡所控制的，CRISPR/Cas基因編輯正在成為一種提高作物產(chǎn)量的精準育種新方法。通過敲除水稻中的負調(diào)節(jié)因子，如gn1a、dep1、gs3等，增強了粒級、粒重、粒數(shù)、致密和直立的圓錐花序等產(chǎn)量相關性狀。此外，通過編輯與谷物重量相關的gw2、gw5和tgw6調(diào)控因子，突變體表現(xiàn)出谷物重量和大小的顯著增加；而敲除vin2基因，突變體會表現(xiàn)出種子大小和粒重的減小。

b.改善植物生長發(fā)育

CRISPR/Cas基因編輯系統(tǒng)已成為研究植物生長發(fā)育功能、改善植物形態(tài)以及促進植物生長發(fā)育的重要工具。研究人員采用CRISPR/Cas9基因編輯系統(tǒng)證明了MADS轉(zhuǎn)錄因子基因MADS78和MADS79在水稻胚乳細胞化和早期種子發(fā)育中的基本調(diào)控功能。同時，由CRISPR/Cas9編輯的水稻己糖激酶hxk5基因突變體會導致水稻雄性不育。

c. 改善次生代謝和作物質(zhì)量

CRISPR/Cas基因編輯技術被用于探索改變植物次級代謝以提高作物質(zhì)量的可能性。例如，通過對α-麥醇溶蛋白基因進行編輯，研究人員獲得了低筋無轉(zhuǎn)基因的小麥，d-hordein基因敲除優(yōu)化大麥蛋白基質(zhì)。此外，利用CRISPR/Cas基因編輯技術成功敲除淀粉分支酶（SBE）基因SBEIIb，并生成了具有高直鏈淀粉含量的基因組編輯水稻，其中直鏈淀粉含量高達25%，長鏈比例更高。

d.增強作物抗病抗蟲能力

CRISPR/Cas9基因編輯技術已被迅速應用于增強農(nóng)作物對真菌、病毒和細菌所引起疾病的抵抗力。例如，通過敲除六倍體面包小麥中的MLO基因，賦予小麥對白粉病的抗性；通過敲除水稻中的Os8n3基因，測試發(fā)現(xiàn)編輯后的水稻表現(xiàn)出對黃單胞菌感染具有顯著的抵抗力。

e.提高非生物脅迫的耐受性

隨著全球氣候的變化，非生物脅迫對農(nóng)作物生長發(fā)育的影響越來越嚴重。采用CRISPR/Cas9基因編輯技術提高對非生物脅迫的耐受性主要體現(xiàn)在對非編碼基因的調(diào)控。例如，在玉米中，通過編輯玉米體內(nèi)與乙烯反應相關的負調(diào)節(jié)因子AGROS8，可增強玉米對干旱的耐受性；CRISPR/Cas編輯產(chǎn)生的G蛋白基因gs3和dep1突變體，增強了水稻對鹽脅迫的耐受性；ppa6基因的敲除增強了水稻對堿性脅迫的耐受性等。

泓迅生物

DNA“讀”“寫”“編”一站式解決方案

泓迅生物自2013年成立以來，結(jié)合分子生物學、生物信息學、人工智能與機器學習技術，構(gòu)建了全球領先的“讀”、“寫”、“編”一站式平臺。公司擁有近十年的農(nóng)作物全基因組CRISPR sgRNA設計與文庫合成經(jīng)驗，覆蓋水稻、小麥、玉米等十余種作物，幫助客戶獲取關鍵基因信息，加速遺傳多樣性研究和縮短育種周期。我們將利用高效合成生物學平臺和先進生物設計及AI預測，為基因編輯在農(nóng)作物育種的研究和商業(yè)化提供專業(yè)服務，并致力于建立中國最強的育種庫。

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參考文獻：

[1] Zhang D, Zhang Z, Unver T, Zhang B. CRISPR/Cas: A powerful tool for gene function study and crop improvement. J Adv Res. 2020;29:207-221. Published 2020 Oct 21.

[2] Ahmar S, Gill RA, Jung KH, et al. Conventional and Molecular Techniques from Simple Breeding to Speed Breeding in Crop Plants: Recent Advances and Future Outlook. Int J Mol Sci. 2020;21(7):2590. Published 2020 Apr 8.

[3] 全球糧食危機要來??？多國發(fā)出警告，歐美已在行動…國內(nèi)飼料庫存緊張連續(xù)5次提價，新浪財經(jīng)，2022年03月30日