左鑫，李欣容，李銘銘，楊超飛，張重義，王豐青*

1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.福建農(nóng)林大學(xué) 作物科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002

基因編輯技術(shù)是近年來(lái)興起的能夠?qū)μ囟ɑ蛭稽c(diǎn)實(shí)現(xiàn)靶向精確編輯的一種先進(jìn)基因修飾技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)而言，基因編輯不僅能夠?qū)δ繕?biāo)基因進(jìn)行精確編輯，而且受體生物基因組中無(wú)外源DNA片段的引入，不存在食品安全風(fēng)險(xiǎn)，可直接應(yīng)用于生產(chǎn)[1]，尤其是具有操作更簡(jiǎn)單、編輯更高效、價(jià)格更低廉等優(yōu)點(diǎn)的成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列及其相關(guān)系統(tǒng)(CRISPR/Cas9)，已被大量應(yīng)用于植物基因組功能和作物遺傳改良等相關(guān)研究。藥用植物的栽培和使用在我國(guó)有著悠久的歷史，其目標(biāo)產(chǎn)品中藥材在保障人類健康方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但是藥用植物在生產(chǎn)上存在許多亟需解決的問(wèn)題，如藥用植物種類繁多，且多為野生種質(zhì)資源，馴化改良周期長(zhǎng)；藥用植物產(chǎn)量和質(zhì)量的不穩(wěn)定性；病蟲害種類多、防治難度大；雜草危害嚴(yán)重，藥用植物對(duì)除草劑敏感等。基因編輯技術(shù)在提升藥用植物生產(chǎn)水平、改善藥用植物品質(zhì)、產(chǎn)量和抗性等方面具有較大的應(yīng)用潛力。本文介紹了基因編輯技術(shù)的類型和作用原理及在植物不同領(lǐng)域中的應(yīng)用，進(jìn)一步展望該技術(shù)在藥用植物中的應(yīng)用前景。

1 基因編輯技術(shù)的類型及作用原理

基因編輯技術(shù)可以在生物體基因組水平上對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行編輯，實(shí)現(xiàn)DNA修復(fù)位點(diǎn)堿基的敲除、插入和替換等，以達(dá)到定向修飾靶基因序列的目的。目前基因編輯技術(shù)根據(jù)核酸酶的不同主要分為3類：鋅指核酸內(nèi)切酶(ZFN)[2]、類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶(TALEN)[3]和成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列(CRISPR)[4]。三者對(duì)靶基因的編輯方式類似，均是在目標(biāo)基因位點(diǎn)通過(guò)序列特異性核酸酶(SSN)識(shí)別切割靶DNA后造成DNA 雙鏈斷裂(DSBs)，通過(guò)細(xì)胞內(nèi)非同源末端連接(NHEJ)和同源性重組(HR)2種機(jī)制進(jìn)行修復(fù)，造成編輯位點(diǎn)堿基的插入、缺失、替換等(見圖1)，從而實(shí)現(xiàn)基因靶位點(diǎn)的精確修飾。其中ZFN和TALEN對(duì)靶DNA的識(shí)別利用DNA-蛋白質(zhì)識(shí)別原理[5]，而CRISPR/Cas9利用RNA-DNA識(shí)別原理。

注：A.ZFN基因編輯；B.TALEN基因編輯；C.CRISPR/Cas9基因編輯；D.DSB修復(fù)機(jī)制。圖1 3種基因編輯技術(shù)及DSB修復(fù)機(jī)制示意圖

第I代基因編輯技術(shù)ZFN是由能夠特異識(shí)別結(jié)合DNA片段的ZFP結(jié)構(gòu)域和對(duì)靶DNA片段進(jìn)行切割的非特異性Fok I核酸內(nèi)切酶構(gòu)成。ZFP結(jié)構(gòu)域由3～6個(gè)Cys2His2鋅指蛋白組成，每個(gè)鋅指單元決定了對(duì)DNA單鏈上3個(gè)連續(xù)核苷酸的特異性識(shí)別，因此通過(guò)串聯(lián)多個(gè)鋅指單元形成ZFP結(jié)構(gòu)域以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定靶序列的識(shí)別[6]?；谇懈钣騀ok I核酸內(nèi)切酶以二聚體形式發(fā)揮內(nèi)切酶作用的特性[7]，需在靶位點(diǎn)兩端設(shè)計(jì)正反向排列且間隔5～7 bp的1對(duì)ZFN，從而實(shí)現(xiàn)Fok I 結(jié)構(gòu)域在2條靶序列間隔位點(diǎn)的切割，造成DSB[8-9]；但是，ZFN設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本高、脫靶率高，產(chǎn)生細(xì)胞毒性等缺陷限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

TALEN是繼ZFN之后的第Ⅱ代基因編輯技術(shù)，由特異性識(shí)別結(jié)合靶DNA的TALE蛋白和Fok I內(nèi)切酶結(jié)合而成(見圖1)，其中Fok I內(nèi)切酶和ZFN中的類似，TALE蛋白由N端轉(zhuǎn)錄信號(hào)、轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域和C端核定位信號(hào)3部分組成。在TALE蛋白的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域中存在一段由34個(gè)氨基酸組成的非完美重復(fù)序列，其中第12、13位重復(fù)可變的雙氨基酸殘基(RVD)決定了1個(gè)重復(fù)單元對(duì)不同核苷酸的特異性識(shí)別[10]。不同氨基酸組合形式的RVD與核苷酸的識(shí)別存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，一般為天冬氨酸-異亮氨酸(NI)識(shí)別腺嘌呤(A)、天冬氨酸-甘氨酸(NG)識(shí)別胸腺嘧啶(T)、天冬氨酸-組氨酸(NH)識(shí)別鳥嘌呤(G)、天冬氨酸-天冬氨酸(NN)識(shí)別A或G、組氨酸-天冬氨酸(HD)識(shí)別胞嘧啶(C)、天冬氨酸-絲氨酸(NS)識(shí)別A、T、C或G任1個(gè)，據(jù)此針對(duì)靶序列設(shè)計(jì)成對(duì)的含有18～20個(gè)重復(fù)單元的TALEN對(duì)靶基因進(jìn)行定點(diǎn)編輯[10-11]。雖然TALEN在特異性識(shí)別切割靶基因方面有了很大的改善，但是其成本高、載體過(guò)大、構(gòu)建復(fù)雜等不足同樣制約了TALEN技術(shù)在植物中的廣泛應(yīng)用。

CRISPR/Cas系統(tǒng)是在細(xì)菌和古細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的一種適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，由5′端的反式激活RNA基因(trans-activating RNA，tracrRNA)、CRISPR位點(diǎn)附近的成簇關(guān)聯(lián)基因(CRISPR associated，Cas)及CRISPR基因座組成[12]。TracrRNA在促使pre-crRNA形成成熟的小crRNA[13]及協(xié)助crRNA-Cas復(fù)合體實(shí)現(xiàn)精確定位方面發(fā)揮重要作用[14]。CRISPR基因座由啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的前導(dǎo)序列(leader sequence)、不連續(xù)的高度保守的重復(fù)序列(repeat)和長(zhǎng)度相似的間隔序列(spacer)相間排列而成[15]。其中，前導(dǎo)序列主要負(fù)責(zé)啟動(dòng)CRISPR的轉(zhuǎn)錄；重復(fù)序列一般由21～48個(gè)堿基對(duì)組成，其中包含1個(gè)由5～7個(gè)堿基對(duì)組成的回文結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)錄物能形成穩(wěn)定的二級(jí)發(fā)卡結(jié)構(gòu)[16]；間隔序列一般由26～72個(gè)堿基對(duì)組成，是宿主細(xì)胞特異性識(shí)別外源基因入侵的主要來(lái)源[15]。Cas蛋白包含了HNH和RuvC-like 2個(gè)結(jié)構(gòu)域，其中HNH結(jié)構(gòu)域能夠切割與crRNA互補(bǔ)的DNA鏈，RuvC-like結(jié)構(gòu)域使非互補(bǔ)的DNA鏈斷裂[14]。TracrRNA、crRNA和Cas蛋白三者結(jié)合形成tracrRNA-crRNA-Cas三元復(fù)合結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步對(duì)靶位點(diǎn)3′端PAM鄰近的20個(gè)核苷酸序列識(shí)別切割形成DSB。

盡管CRISPR/Cas9系統(tǒng)是目前應(yīng)用較為廣泛的基因編輯技術(shù)，但crRNA的20 nt間隔特異識(shí)別序列能夠忍受一定程度的靶標(biāo)堿基錯(cuò)配，從而產(chǎn)生較高的脫靶誘導(dǎo)，而且其特異性識(shí)別受PAM的制約，限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍[17]。在CRISPR/Cas9系統(tǒng)的前提下衍生出CRISPR/Cas9n[18]、CRISPR/dCas9[19]技術(shù)實(shí)現(xiàn)了脫靶率的降低。2015年9月，張峰團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的CRISPR/Cas系統(tǒng)的Ⅱ類V型新成員Cpf1，其能夠識(shí)別富含胸腺嘧啶(T)的PAM[20]，進(jìn)一步提高了CRISPR/Cas系統(tǒng)的特異性并擴(kuò)大其識(shí)別應(yīng)用范圍，此外Cpf1蛋白與crRNA矩陣相結(jié)合，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)基因組多基因的同時(shí)編輯[21]。

2 基因編輯技術(shù)在植物領(lǐng)域中的應(yīng)用

基因編輯技術(shù)通過(guò)基因敲除、插入及基因替換等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)基因的定向編輯并獲得相應(yīng)的突變體。近年來(lái)，基因編輯技術(shù)已經(jīng)在模式植物擬南芥中得到深入的研究。除此之外，基因編輯技術(shù)在大田作物、園藝作物及藥用植物中的應(yīng)用也日趨廣泛，其相關(guān)研究成果也越來(lái)越多。

2.1 基因編輯技術(shù)在大田作物中的應(yīng)用

早期的TALEN基因編輯技術(shù)已經(jīng)在水稻Oryzasativa中實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)別基因的定向編輯。Li等[22]通過(guò)TALEN基因編輯技術(shù)對(duì)水稻白葉枯病易感基因(OsSWEET14)定向編輯，獲得具有白葉枯抗性的水稻新品種。姜明君等[23]利用TALEN技術(shù)對(duì)水稻中已知的苯達(dá)松抗性基因(CYP81A6)定向敲除獲得苯達(dá)松易感性的水稻品種。隨著CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)研究熱潮的興起，該技術(shù)也成功用于水稻的性狀和品種改良等相關(guān)研究。利用CRISPR/Cas技術(shù)對(duì)水稻中乙酰乳酸合成酶基因(ALS)[24]、乙烯反應(yīng)因子基因(OsERF922)[25]、5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶基因(OsEPSPS)[26]的靶向修飾，分別獲得了除草劑、稻瘟病和草甘膦抗性的水稻品種。利用CRISPR/Cas9對(duì)水稻中編碼甜菜堿醛脫氫酶的香味控制基因(Badh2)[27]和編碼吲哚乙酸-葡萄糖水解酶的千粒質(zhì)量控制基因(tgw6)[28]進(jìn)行編輯，獲得的后代水稻突變體的香味和千粒質(zhì)量都分別得到了顯著增加。

Shukla等[29]利用最早的基因編輯技術(shù)ZFN靶向編輯玉米Zeamays的IPK1基因，從而增加了玉米對(duì)除草劑的耐受性。Char等[30]利用TALEN對(duì)玉米的glossy2(gl2)基因進(jìn)行靶向誘變使該基因失活，并進(jìn)一步驗(yàn)證了突變體后代中3個(gè)等位基因的功能。Shi等[31]利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)獲得了玉米乙烯反應(yīng)負(fù)調(diào)控基因(ARGOS8)突變體，其抗旱性得到了顯著增強(qiáng)，在干旱條件下改善了玉米籽粒的產(chǎn)量。

除此以外，基因編輯技術(shù)在大豆Glycinemax[32]、小麥Triticumaestivum[33]、大麥Hordeumvulgare[34]、棉花Gossypiumhirsutum[35]等大田作物中也實(shí)現(xiàn)了對(duì)特異目標(biāo)位置靶基因的精確編輯，并獲得了相應(yīng)的基因突變體，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)大田作物性狀和品種的改良并獲得抗性新品種。

2.2 基因編輯技術(shù)在園藝作物中的應(yīng)用

除了番茄，基因編輯技術(shù)也在其他園藝作物中得到應(yīng)用。在馬鈴薯S.tuberosum中以選擇組成型表達(dá)的泛素7基因(Ubi7)的5′UTR內(nèi)的內(nèi)含子區(qū)域作為靶位點(diǎn)，利用TALEN技術(shù)將在馬鈴薯基因組中獲得的天然無(wú)啟動(dòng)子的除草劑抗性標(biāo)記和目的轉(zhuǎn)基因的盒插入該靶位點(diǎn)，內(nèi)源性Ubi7啟動(dòng)子將驅(qū)動(dòng)無(wú)啟動(dòng)子的除草劑抗性標(biāo)記基因表達(dá)，從而獲得具有除草劑抗性的馬鈴薯[41]。Kannan等[42]利用TALEN技術(shù)對(duì)甘蔗Saccharumofficinarum中的木質(zhì)素生物合成基因咖啡酸-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(COMT)進(jìn)行編輯，進(jìn)而提高甘蔗中的糖化效率。Tian等[43]利用CRISPR/Cas9技術(shù)對(duì)西瓜中的八氫番茄紅素去飽和酶基因(CiPDS)定向誘變，并獲得白化表型的突變體植株，實(shí)現(xiàn)了基因編輯技術(shù)在西瓜中的應(yīng)用。Klimek-Chodacka等[44]通過(guò)構(gòu)建雙靶點(diǎn)CRISPR/Cas9載體分析了定向敲除黃烷酮-3-羥化酶基因(F3H)對(duì)胡蘿卜Daucuscarota紫色愈傷模型花青素積累的影響，同時(shí)比較了3種密碼子優(yōu)化的Cas9基因的編輯效率，發(fā)現(xiàn)3種Cas9基因均能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)靶基因的定向敲除，其中AteCas9最為有效。這些研究表明，CRISPR/Cas9技術(shù)具有廣泛適用性，在園藝作物的基因功能研究和新品種選育中具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和潛力。

2.3 基因編輯技術(shù)在藥用植物中的應(yīng)用

藥用植物種類很多，根據(jù)第三次全國(guó)中藥資源普查結(jié)果，我國(guó)藥用植物有11 146種[45]，僅有200多種實(shí)現(xiàn)了人工栽培。受限于基因組信息的匱乏，目前在藥用植物中應(yīng)用基因編輯技術(shù)的報(bào)道較少。2016年，Kui等[46]選擇木質(zhì)素生物合成途徑中的5個(gè)基因(C3H、C4H、4CL、CCR和IRX)作為靶基因，通過(guò)CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)對(duì)鐵皮石斛Dendrobiumofficinale這5個(gè)靶基因?qū)崿F(xiàn)定向突變，并進(jìn)一步采用PCR擴(kuò)增和測(cè)序技術(shù)驗(yàn)證突變，發(fā)現(xiàn)在靶基因的不同位點(diǎn)分別發(fā)生了核苷酸的取代、缺失和插入，證明了CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)能夠在鐵皮石斛中有效應(yīng)用?？梢赃M(jìn)一步利用該技術(shù)對(duì)鐵皮石斛其他途徑進(jìn)行修飾，并對(duì)基因功能和分子遺傳進(jìn)一步研究，有利于加快鐵皮石斛分子育種進(jìn)程。

Li等[47]采用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)精確敲除丹參Salviamiltiorrhiza中參與生物合成的二萜合酶基因(SmCPS1)，以發(fā)根農(nóng)桿菌介導(dǎo)進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化獲得了3個(gè)純合和8個(gè)嵌合突變體。其中純合丹參突變體中化學(xué)成分丹參酮，尤其是隱丹參酮、丹參酮ⅡA和丹參酮Ⅰ完全缺失，而其他酚酸代謝物的合成不受影響；嵌合突變體中的丹參酮雖有減少但仍可檢測(cè)到。Zhou等[48]利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)對(duì)丹參中水溶性酚酸生物合成途徑中的迷迭香酸合成酶(RAS)基因進(jìn)行編輯，其獲得的轉(zhuǎn)基因丹參毛狀根中RAS基因表達(dá)量降低進(jìn)一步導(dǎo)致迷迭香酸(RA)、紫草酸B(LAB)含量顯著降低，RA前體物3，4-二羥基苯乳酸(DHPL)含量顯著升高。這些結(jié)果表明CRISPR/Cas9系統(tǒng)作為一種具有巨大應(yīng)用潛力的工具在藥用植物基因組編輯中的可行性，對(duì)進(jìn)一步闡明丹參次生代謝產(chǎn)物合成途徑中的關(guān)鍵酶基因功能，提高丹參的產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要意義。

芐基異喹啉生物堿(BIA)為罌粟Papaversomniferum中的特征性藥效成分，在醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用中，具有豐富的抗炎、抗菌、抗氧化、抗血小板凝集、抗心律失常、抗高血壓、抗腫瘤等藥理活性作用，如罌粟堿的解痙作用，嗎啡的陣痛作用、小檗堿的降血脂作用等[49]。Alagoz等[50]使用CRISPR/Cas9系統(tǒng)通過(guò)非同源末端連接基因組修復(fù)敲除罌粟中調(diào)節(jié)BIAs生物合成的3′-羥基-N-甲基丙氨酸4′-O-甲基轉(zhuǎn)移酶基因(4′OMT)，其敲除突變體中BIA的合成顯著降低。由此可見，CRISPR/Cas9技術(shù)不僅可以研究藥用植物的基因功能，還是藥用植物代謝工程有效的研究工具。

3 基因編輯在藥用植物中的應(yīng)用前景展望

當(dāng)前，植物藥在保護(hù)公眾健康方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，尤其是在治療一些疑難病、慢性病等方面，與化學(xué)藥相比優(yōu)勢(shì)更為明顯。然而，中藥材生產(chǎn)中面臨著各種問(wèn)題，如部分名貴的野生藥用植物瀕臨滅絕，栽培的藥用植物產(chǎn)量和品質(zhì)不穩(wěn)定、抗病蟲性降低，有些藥效成分在藥用植物中的含量很低，絕大多數(shù)藥用植物對(duì)除草劑敏感，雜草防除困難等。高效的基因編輯修飾技術(shù)將在中藥材產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性機(jī)制研究和中藥材生產(chǎn)質(zhì)量控制過(guò)程中發(fā)揮重要的作用。近年來(lái)，隨著高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的藥用植物基因組序列信息獲得了解析，功能基因組學(xué)和植物分子生物技術(shù)的發(fā)展為基因編輯技術(shù)在藥用植物中的應(yīng)用提供了充分的技術(shù)支持?；蚓庉嫾夹g(shù)有望在以下幾個(gè)方面促進(jìn)藥用植物的基礎(chǔ)研究和生產(chǎn)應(yīng)用。

3.1 改善中藥材的品質(zhì)

中藥材的品質(zhì)包括外在品質(zhì)、內(nèi)在品質(zhì)和加工品質(zhì)等。品質(zhì)性狀的遺傳受基因控制，并受環(huán)境條件影響；而藥用植物藥用部位發(fā)揮藥效的物質(zhì)基礎(chǔ)為中藥材含有的化學(xué)成分，化學(xué)成分的種類和含量決定了中藥材的品質(zhì)。中藥材的化學(xué)成分復(fù)雜多樣，主要有糖類、苷類、醌類化合物、苯丙素類化合物、黃酮類化合物、萜類和揮發(fā)油、生物堿、甾體類化合物、氨基酸等。中藥材含有豐富的藥效物質(zhì)，同時(shí)，部分藥材還含有一定的毒性成分，如生物堿類的麻黃堿、烏頭堿、阿托品等，苷類成分強(qiáng)心苷、皂苷類、苦杏仁苷等[51]。改善藥用植物的品質(zhì)，一方面可通過(guò)基因編輯敲除抑制藥效成分合成的基因來(lái)提高藥效成分的含量，從而降低藥用植物中有效成分的提取成本；另一方面則通過(guò)敲除合成毒性成分的基因降低有毒成分的含量，從而降低藥材的不良反應(yīng)。由于基因編輯技術(shù)僅修飾特定的基因，并不會(huì)導(dǎo)入外源基因片段，環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)低，具備改善中藥材品質(zhì)的生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。

3.2 解析藥用植物藥效成分合成的代謝通路

藥用植物中的活性成分主要由植物次生代謝途徑合成，其中經(jīng)乙酸-丙二酸途徑(AA-MA途徑)生成脂肪酸類、酚類、醌類等化合物；萜類、甾體類化合物經(jīng)甲戊二羥酸途徑(MVA途徑)合成；經(jīng)莽草酸途徑合成具有C6-C3和C6-C1基本結(jié)構(gòu)的苯丙素類化合物；大多數(shù)的生物堿是由氨基酸途徑合成；還可以通過(guò)以上復(fù)合途徑合成次生代謝產(chǎn)物。通過(guò)代謝組學(xué)中的核磁共振(NMR)、質(zhì)譜(MS)、色譜(HPLC、GC)及色譜質(zhì)譜聯(lián)用等技術(shù)手段對(duì)藥用植物代謝物進(jìn)行定性和定量分析，進(jìn)一步結(jié)合基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)闡明藥用植物的次生代謝合成網(wǎng)絡(luò)途徑及關(guān)鍵酶的調(diào)控機(jī)制，明確藥用植物次生代謝產(chǎn)物的合成積累規(guī)律和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。藥用植物藥用部位藥效成分的合成主要受其合成通路中的催化酶基因和轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控，可利用基因編輯技術(shù)實(shí)現(xiàn)催化酶基因和轉(zhuǎn)錄因子的過(guò)量表達(dá)或敲除，通過(guò)檢測(cè)代謝產(chǎn)物和目標(biāo)成分的含量，進(jìn)而明確藥效成分合成的分子調(diào)控機(jī)制。

3.3 提高藥用植物產(chǎn)量

藥用植物藥用部位的產(chǎn)量組成包括生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，生物產(chǎn)量主要是藥用植物光合作用所形成的全部干物質(zhì)產(chǎn)量；經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量是指藥用部位的產(chǎn)量。利用基因編輯技術(shù)提高藥用植物產(chǎn)量可以從2個(gè)方面展開，其一，光合作用過(guò)程中將光能轉(zhuǎn)化為有機(jī)物中穩(wěn)定的化學(xué)能所涉及的2個(gè)反應(yīng)階段均需要一定酶的參與，通過(guò)基因編輯技術(shù)對(duì)光合作用過(guò)程中催化酶基因進(jìn)行編輯，使相應(yīng)的酶基因敲除或過(guò)表達(dá)從而對(duì)基因的功能進(jìn)行研究，進(jìn)一步調(diào)控基因的表達(dá)，從而提高光合作用產(chǎn)物。其二，利用基因編輯技術(shù)對(duì)控制不同藥用部位的基因進(jìn)行編輯，進(jìn)一步獲得藥用部位產(chǎn)量高的藥用植物。因此，在鎖定藥用植物藥用部位產(chǎn)量控制關(guān)鍵功能基因的情況下，可利用基因編輯技術(shù)調(diào)控該基因的表達(dá)實(shí)現(xiàn)藥用部位增產(chǎn)的目的。

3.4 提高藥用植物抗病蟲性

病蟲害是影響藥用植物安全、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的主要因素，選育抗病蟲藥用植物品種，提高藥用植物抗病蟲特性是防治病蟲害，促進(jìn)藥用植物可持續(xù)發(fā)展的最經(jīng)濟(jì)、有效、安全的方法。根據(jù)其他植物領(lǐng)域中通過(guò)基因編輯獲得抗病蟲品種的研究成果，可以設(shè)計(jì)靶向敲除藥用植物中病蟲害易感性基因的CRISPR/Cas9基因編輯系統(tǒng)，或參考其他植物中已研究出的相關(guān)抗病蟲基因并在藥用植物基因組中比對(duì)獲得抗性同源基因，進(jìn)一步對(duì)該同源基因進(jìn)行編輯，也可以嘗試將其他植物中已報(bào)道的抗病蟲基因，通過(guò)構(gòu)建CRISPR表達(dá)載體轉(zhuǎn)入藥用植物中，從而提高藥用植物的抗病蟲性。

3.5 提高藥用植物除草劑抗性

在藥用植物農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在雜草危害嚴(yán)重的現(xiàn)象，人工除草成本很高。利用除草劑對(duì)不同植物類型的選擇性防除，很多大田作物都實(shí)現(xiàn)了專用型除草劑的生產(chǎn)和應(yīng)用。而大多數(shù)藥用植物對(duì)除草劑非常敏感，噴施除草劑會(huì)對(duì)藥用植物產(chǎn)生嚴(yán)重的藥害作用，導(dǎo)致藥用植物種子的發(fā)芽率降低、葉片卷曲和發(fā)黃，甚至導(dǎo)致藥用植物萎蔫死亡，致使中藥材農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上談“除草劑”而色變。最新的研究表明，植物可通過(guò)自身基因的修飾獲得對(duì)特定種類除草劑的抗性，如乙酰乳酸合酶基因ALS(對(duì)支鏈氨基酸的合成具有重要作用)，對(duì)其單個(gè)氨基酸進(jìn)行定向突變以降低植物對(duì)磺酰脲類除草劑的敏感性[52]；5′-烯醇丙酮酰莽草酸-3-磷酸合酶基因EPSPS的突變體可以獲得草甘膦抗性[53]。另外，通過(guò)基因編輯技術(shù)將除草劑解毒酶導(dǎo)入植物中，以降低除草劑對(duì)植物的傷害，從而獲得除草劑抗性[54]。此外，相關(guān)研究還有報(bào)道出抗除草劑的其他潛在基因，如原卟啉原氧化酶(PPO)、α-微管蛋白等[55]，可以對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究明確其作用，為提高藥用植物對(duì)除草劑的抗性奠定基礎(chǔ)。

3.6 加速藥用植物的馴化

藥用植物有10 000多種，然而，到目前為止絕大多數(shù)藥用植物均以野生資源為主。野生藥用植物存在分布分散、生境破壞嚴(yán)重、產(chǎn)量穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，制約了植物藥的持續(xù)供應(yīng)和可持續(xù)發(fā)展。加速藥用植物的馴化，有利于變野生藥用植物為家種，保護(hù)瀕危藥用植物，保證中藥材的永續(xù)利用。此外，加速藥用植物野生種質(zhì)資源的馴化，能夠進(jìn)一步對(duì)藥用植物進(jìn)行統(tǒng)一化栽培管理，對(duì)藥用植物的不良性狀進(jìn)行馴化。利用傳統(tǒng)的栽培和育種技術(shù)馴化野生植物，周期十分漫長(zhǎng)，獲得理想的栽培性狀常常需要數(shù)年甚至數(shù)十年。而近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的基因編輯技術(shù)為快速馴化野生藥用植物提供了可能。Li等[56]通過(guò)基因編輯技術(shù)靶向番茄分枝數(shù)量基因、果實(shí)大小基因等，獲得的突變體植株在保留野生番茄優(yōu)良性狀的前提下改善了番茄的不良性狀。因此，可利用基因編輯技術(shù)對(duì)藥用植物中調(diào)控不良性狀的基因進(jìn)行修飾，定向馴化農(nóng)藝性狀，從而實(shí)現(xiàn)藥用植物的快速馴化，加速中藥材的現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程。