摘" 要：基因編輯作為一種起源于20世紀(jì)80年代的新興學(xué)科，近年來(lái)發(fā)展迅速，在各個(gè)領(lǐng)域呈迅猛增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。為探究基因編輯在植物育種中的最新進(jìn)展，以及基因編輯在植物育種中的重要作用，該文分別論述基因編輯在提高植物的抗病性、改良種子品質(zhì)、提高植物營(yíng)養(yǎng)、改善植物風(fēng)味和增加植物適應(yīng)能力等多種方面的應(yīng)用，結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新文獻(xiàn)，介紹基因編輯在植物育種領(lǐng)域的最新進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：基因編輯；植物育種；目的基因；基因修飾；種子改良

中圖分類號(hào)：S336" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2096-9902（2024）05-0065-05

Abstract： As As an emerging discipline originating in the 1980s， gene editing has developed rapidly in recent years， showing a rapid growth trend in various fields. In order to explore the latest progress of gene editing in plant breeding and the important role of gene editing in plant breeding， this paper discusses the application of gene editing in improving plant disease resistance， improving seed quality and plant nutrition. Improve plant flavor， increase plant adaptability and other applications， combined with the latest literature at home and abroad， introduce the latest progress of gene editing in the field of plant breeding.

Keywords： gene editing; plant breeding; target gene; gene modification; seed improvement

基因編輯（Gene Editing）技術(shù)是在基因的特定位點(diǎn)上進(jìn)行精準(zhǔn)定位，同時(shí)以特定的技術(shù)來(lái)對(duì)某些基因進(jìn)行改造，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展[1]?；蚓庉?，指對(duì)所需的目標(biāo)基因進(jìn)行人為改造，通過一些技術(shù)手段，使得堿基缺失、替換和改造，以改變目的基因的表達(dá)量或功能。基因編輯技術(shù)自誕生以來(lái)，發(fā)展迅猛，逐漸應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，使生物學(xué)迎來(lái)了革命性的突破?；蚓庉嬍紫茸R(shí)別目標(biāo)基因，通過不斷改造基因組的DNA來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)患病基因的修復(fù)和剔除[2]。作物選育，又稱品種改良，以高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效為選育的主要目標(biāo)。但選育目標(biāo)還一定要根據(jù)當(dāng)?shù)仄贩N的生長(zhǎng)狀況、品種基礎(chǔ)、自然環(huán)境、耕作制度、種植程度和市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)要求等綜合因素，并隨著產(chǎn)品的演變而不斷進(jìn)行調(diào)整。這是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，需要多年經(jīng)驗(yàn)的積累，其必須以本區(qū)域最主要的栽培作物為標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)過不斷改良育種方式，從而將育種目標(biāo)系統(tǒng)化。在過去數(shù)十年里，基因編輯技術(shù)在植物學(xué)中發(fā)展迅猛，尤其是對(duì)成簇的間隔短回文重復(fù)序列（CRISPR）/CRISPR相關(guān)蛋白（CAS）及其變異體的編輯[3]，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有十分重要的意義[4-5]，這已經(jīng)成為植物研究中的一項(xiàng)強(qiáng)大的技術(shù)并且可能成為植物育種游戲規(guī)則的改變者。隨著CRISPR/CAS技術(shù)的逐漸成熟，許多CRISPR技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于植物育種領(lǐng)域并且取得突破性進(jìn)展。

但是在植物育種中，通常因?yàn)楫a(chǎn)量、性狀等一系列的原因使得育種的效率非常慢，且農(nóng)藥的過度使用對(duì)人體和環(huán)境造成很大的危害。通過基因編輯技術(shù)提高作物產(chǎn)出率以及蛋白質(zhì)量[6]，對(duì)于植物食用率和消化率有著很大提升。通過在單個(gè)品種中堆疊基因，使用敲入技術(shù)改變多個(gè)精英性狀，這對(duì)作物性狀改良具有很大的價(jià)值[4]。以往植物組織中硫苷含量少，通過此技術(shù)使得植物營(yíng)養(yǎng)組織中含有較多的硫苷，在植物發(fā)育初期的種子階段硫苷含量大大降低，同時(shí)也可以減少鳥類的侵襲[7]。顯然，與傳統(tǒng)方法相比，利用原生質(zhì)體系統(tǒng)進(jìn)行基因敲入具有更高的效率和準(zhǔn)確性。

1" 通過基因編輯在植物育種中提高植物的抗病性

在植物的染色體上插入、替換某些基因組來(lái)改變植物的某些特性一直以來(lái)都是難以克服的科研難題，而CRISPR/Cas9技術(shù)則將這樣的一個(gè)難題變?yōu)榱丝赡?，其通過在植物種子中嵌入抗病性基因，可以增強(qiáng)植株的抗病性。

1.1" 植物抗病基因插入

利用CRISPR/Cas9技術(shù)斷裂DNA雙鍵，其結(jié)果就是可以使得目的基因片段與供體DNA片段兩端序列相同。于是，同源修復(fù)性方式在編輯受體的開啟下進(jìn)行。供體DNA的片段將會(huì)“黏貼”到之前斷裂的雙鍵位置上。這是一種神奇的方式，能極大地提高基因利用率，能夠“吸引”多種優(yōu)良基因，因此，傳統(tǒng)育種中出現(xiàn)的問題就能迎刃而解。此方法便捷高效，未來(lái)發(fā)展空間極大[8]。即使CRISPR/Cas9技術(shù)已經(jīng)在水稻、玉米[9]農(nóng)作物中應(yīng)用許久，但還暴露出許多問題，其中之一就是編輯效率過低，主要原因就在于植物體內(nèi)存在抗性基因?，F(xiàn)代的專家們通過科學(xué)研究得出了2個(gè)可以提高目的基因確切插入植物總體基因組的方式。方式一是先利用了小麥中的矮縮病毒W(wǎng)DV作為媒介，通過不斷地馴化，使得病毒的拷貝數(shù)始終處于提升的狀態(tài)，因此插入準(zhǔn)確度提高。研究顯示，利用這種方式插入水稻[10]中的效率可以達(dá)到20%，大大超過了在以往植物基因組中的插入率。方式二是以CRISPR/Cas9技術(shù)和一對(duì)gRNA為工具，將目的基因直接在同一載體上提取，運(yùn)用此方法使得包括水稻在內(nèi)的多種植物的靶向基因插入和替換變成了可能，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用將逐漸增多。以CRISPR/Cas9為基礎(chǔ)并不斷延伸的方法，為育種方面基因的精確插入提供了一個(gè)新的可能和方向。

1.2" 精確編輯植物基因提高抗病性

農(nóng)業(yè)中為了改變基因的功能，可以精確地編輯一個(gè)或者數(shù)個(gè)基因，使得整體的功能改變，從而增強(qiáng)作物抗性的同時(shí)并且能夠不斷提高作物的某些優(yōu)良的基因和性狀。研究表明，高效的定向轉(zhuǎn)換基因組序列技術(shù)CRISPR/Cas9在改良作物方面的優(yōu)勢(shì)不可比擬，對(duì)于單堿基編輯技術(shù)（Base Editor）來(lái)說，應(yīng)用CRISPR/Cas9這項(xiàng)技術(shù)可以克服長(zhǎng)久以來(lái)的問題。這項(xiàng)技術(shù)是基于一個(gè)突變的Cas9蛋白與胞嘧啶脫氨酶組合成一個(gè)新的蛋白，隨后在指引對(duì)象gRNA的引導(dǎo)下進(jìn)入靶位點(diǎn)。脫氨酶在此過程中起到了至關(guān)重要的作用，因?yàn)槠鋵?duì)堿基轉(zhuǎn)換來(lái)說至關(guān)重要，只有脫氨酶表現(xiàn)正常，堿基替代才會(huì)精確。需要注意的是，即使是在同一個(gè)編輯方式下，因?yàn)榘形稽c(diǎn)的不同，編輯效率千差萬(wàn)別，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因還需進(jìn)一步地探究。此外，Cas9介導(dǎo)的堿基無(wú)論是編輯性以及替換效率都遠(yuǎn)高于同源定向修復(fù)效率，因此具有很大的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值。通過精確編輯，把抗病基因插入到植物種子中，培育出來(lái)的植物具有顯著的抗病效應(yīng)，對(duì)于不同的疾病，可以插入不同的抗病基因并且精確編輯，使得作物抗病性增加，提高作物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2" 通過基因編輯改良種子品質(zhì)

現(xiàn)代育種中，野生植物品質(zhì)通常會(huì)遇到很多問題，產(chǎn)量高的同時(shí)但抗病性差，比如野生水稻?；嫉牡疚敛11]，野生型抗病性高但是產(chǎn)量低，或者性狀不統(tǒng)一，很難綜合這兩者的優(yōu)點(diǎn)。利用基因編輯技術(shù)把植物的優(yōu)良性狀進(jìn)行綜合，修改種子基因，以此改良植物的品質(zhì)是現(xiàn)代基因編輯育種中常用的手段之一，可以解決育種過程中植物的不育或者繁殖不佳的難題。

2.1" 改良產(chǎn)量相關(guān)基因

定制的RNA引導(dǎo)的Cas9也被廣泛應(yīng)用于修改決定作物產(chǎn)量的性狀?，F(xiàn)代品種在許多作物中表現(xiàn)為半矮化變種，不容易倒伏，氮肥施用能力增強(qiáng)，收獲指數(shù)提高，即收獲的種子或谷物在地上總生物量中所占的比例不斷增加。進(jìn)一步微調(diào)這一性狀以適應(yīng)不同的環(huán)境和區(qū)域需求，產(chǎn)生更多的優(yōu)良遺傳性狀仍然是人們高度關(guān)注的問題?，F(xiàn)代的植物育種中追求的仍然是高產(chǎn)量，高穩(wěn)定性遺傳性狀，如矮稈和半矮稈植株是通過敲除油菜籽中的BolC.GA4a基因產(chǎn)生的ER1、ER2、SEC3a[12]和Dep1。半矮稈油菜也是通過選擇攜帶BaA6.RGA基因缺失的突變體來(lái)創(chuàng)造的，從而保留了其翻譯閱讀框架，進(jìn)而提高油菜籽的出油量和油菜的產(chǎn)量。這一原理提供了實(shí)現(xiàn)功能修飾的機(jī)會(huì)，而不是完全喪失目標(biāo)基因的功能。開花期和果實(shí)成熟期從營(yíng)養(yǎng)到生殖階段的發(fā)育轉(zhuǎn)換的時(shí)間規(guī)律是產(chǎn)量的另一個(gè)重要決定因素，因此為不同的農(nóng)業(yè)制度和地區(qū)條件量身定做品種時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。水稻和番茄的加速成熟是通過敲除OsHd2、HD4、HD5和SLSP5G基因。相比之下，GmFT2基因敲除導(dǎo)致大豆開花時(shí)間延遲[13]。Li等[14]證明了長(zhǎng)的非編碼RNA1459的突變導(dǎo)致番茄果實(shí)成熟延遲。

2.2" 修改種子基因

種子的數(shù)量和重量是產(chǎn)量的直接決定因素?，F(xiàn)代科學(xué)的目標(biāo)是改善種子的這兩個(gè)性狀。研究發(fā)現(xiàn)了OsGn1a、DEP1、GS3和IPA1基因的突變，通過CRISPR/Cas9來(lái)改造谷物或種子性狀[15]，或者通過敲除種子中的GW2、GW5和TGW6來(lái)增加粒重，同樣的原理可以應(yīng)用于其他植物中。在油菜當(dāng)中通過敲除CLV3基因的2個(gè)同源等位基因，油菜的子房室和種子數(shù)都得到了增加[16]，科研人員在番茄方面采取了更復(fù)雜的方法，證明通過產(chǎn)生一系列具有不同片段缺失的CLV3啟動(dòng)子變體，可以獲得子房室數(shù)量和果實(shí)大小的整個(gè)范圍的變異性。Cas9介導(dǎo)的AGL6基因被敲除導(dǎo)致番茄無(wú)核果實(shí)的形成。通過敲除油菜的Alcatraz基因，減少了種子碎粒，提高作物的品質(zhì)。

3" 通過基因編輯植物種子提高植物營(yíng)養(yǎng)

3.1" 敲除某些基因提高營(yíng)養(yǎng)含量

定點(diǎn)基因敲除也被證明有助于改善飼料和食物的營(yíng)養(yǎng)，使其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值更加均衡，更有利于人類和家畜的吸收。研究表明，哺乳動(dòng)物體內(nèi)沒有消化植酸的酶，植酸堆積在體內(nèi)會(huì)影響蛋白質(zhì)、脂肪等物質(zhì)的吸收，而玉米當(dāng)中的IPK基因決定著植酸的產(chǎn)量，利用CRISPR/Cas9技術(shù)敲掉玉米當(dāng)中IPK基因，會(huì)使得植酸的含量急劇下降。靶向敲除水稻的SBEI和SBEIIb基因?qū)е轮ф湹矸酆看蠓档?，有利于谷物中的直鏈淀粉部分增加，淀粉?yōu)先在結(jié)腸而不是在小腸中消化，由此產(chǎn)生的所謂“抗性”，這可能有助于減少II型糖尿病的發(fā)生。Sánchez-León等[17]采取了一種相對(duì)具有挑戰(zhàn)性的方法，他同時(shí)敲除了小麥多達(dá)35個(gè)的α-醇溶蛋白基因，導(dǎo)致谷物的低面筋含量和免疫反應(yīng)性大大降低。在新興的油料種子植物中，F(xiàn)AD2基因被敲除，從而使單不飽和脂肪酸的比例增加到50%以上。這種方法是Cas9技術(shù)至關(guān)重要的另一個(gè)例子。在另外的研究中，通過敲除FAE1基因可以減少超長(zhǎng)脂肪酸的含量[18]。通過對(duì)參與類胡蘿卜素生物合成途徑的幾個(gè)基因進(jìn)行多重定點(diǎn)突變，在番茄果實(shí)中富集了營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高的復(fù)合番茄紅素，使得番茄的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值翻倍。

3.2" 定點(diǎn)基因修飾提高植物營(yíng)養(yǎng)

有針對(duì)性的基因組修飾也不斷在植物育種方面被應(yīng)用。以往的研究發(fā)現(xiàn)，如果要實(shí)現(xiàn)雜交育種，必要的一個(gè)條件是在雄性可育和雄性不育之間能夠隨機(jī)互換。例如，玉米（MS26、MS45）和水稻（CsA、TMS5、PKS2）與花粉功能有關(guān)的不同基因已被修飾，形成雄性不育。在此背景下，通過修飾秈稻SC-I基因3個(gè)串聯(lián)重復(fù)拷貝中的1個(gè)或2個(gè)，揭示了秈粳雜交稻雄性不育的一種新的基因劑量依賴性機(jī)制，這可能促進(jìn)了雜交稻米雜種優(yōu)勢(shì)的使用。隨著人類生活水平以及生存環(huán)境的日益改善也促使人類對(duì)食物有了更高的要求，同時(shí)他們對(duì)食物本身的營(yíng)養(yǎng)與風(fēng)味標(biāo)準(zhǔn)有了很大的提高。支鏈淀粉含量高的水稻更易消化且風(fēng)味優(yōu)良，因此其購(gòu)買量逐年增加。Zeng等[18]通過編輯一個(gè)內(nèi)含子Wxa5'UTR，使得水稻中的直鏈淀粉含量大大降低，增加了水稻的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)對(duì)水稻不同基因進(jìn)行編輯，使得水稻性狀向營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高且易于人體吸收的方向突變，可以提供優(yōu)質(zhì)的水稻資源，增加水稻的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，同時(shí)為水稻的優(yōu)質(zhì)育種提供了理論基礎(chǔ)。

4" 通過基因編輯植物種子提高植物風(fēng)味

在傳統(tǒng)育種過程中經(jīng)常會(huì)遇到這樣的問題，即培育的經(jīng)濟(jì)作物的風(fēng)味很差，即使具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，但由于風(fēng)味很差，也很少有人問津，導(dǎo)致作物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值很低，解決這個(gè)問題迫在眉睫。通過基因編輯技術(shù)可以改良植物的風(fēng)味，提高作物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4.1" 編輯穩(wěn)定風(fēng)味的性狀

利用CRISPR編輯技術(shù)，首先可以通過自交和雜交的遺傳分離獲得不含轉(zhuǎn)基因的衍生品。此方法利用一個(gè)熒光盒，作為CRISPR/Cas9結(jié)構(gòu)存在的標(biāo)記。通過此標(biāo)記篩選風(fēng)味基因，把口感好的基因保留，口感差的基因敲除，使得作物產(chǎn)生風(fēng)味優(yōu)良的性狀。另一種方法是使用自殺基因CMS2和BARNASE殺死植物產(chǎn)生不良風(fēng)味的花粉和胚胎[19]。上述方法的目的就是獲得植物的某些特定風(fēng)味的優(yōu)良基因，然后導(dǎo)入到植物體中，這樣就可以得到穩(wěn)定遺傳的性狀。

4.2" 通過基因編輯在植物種子中引入優(yōu)良風(fēng)味基因

在食品工業(yè)中，可以生產(chǎn)各種香料，在食品生產(chǎn)過程中將香料放入，可以提高食品風(fēng)味?；谕瑯拥牡览?，可以通過基因編輯的方法把其他作物中的優(yōu)良風(fēng)味基因引入植物種子中，通過植物育種培育出作物，產(chǎn)生的作物就擁有了優(yōu)良風(fēng)味，這種方法在小麥中首次被報(bào)道。首先用基因編輯技術(shù)體外改良風(fēng)味基因，然后用基因槍法將CRISPR/Cas9攜帶風(fēng)味基因的質(zhì)粒導(dǎo)入小麥幼胚，在沒有選擇壓力的情況下獲得再生植株，獲得的植株經(jīng)過培育之后進(jìn)行基因檢測(cè)，確保風(fēng)味基因?qū)氩⑶夷軌蚍€(wěn)定遺傳。

5" 通過基因編輯植物種子增加植物的適應(yīng)能力

5.1" 單個(gè)多次基因編輯提高種子適應(yīng)力

隨著世界人口的增加，環(huán)境污染的加劇，傳統(tǒng)糧食的發(fā)展面臨巨大難題，利用基因編輯技術(shù)增加作物的適應(yīng)能力關(guān)乎農(nóng)業(yè)的發(fā)展與人類的未來(lái)。首先通過基因編輯，在植物中加入耐旱基因，耐旱基因表達(dá)之后，再進(jìn)行耐旱基因的嵌入，這樣每次插入單個(gè)基因，可以使得植物性狀更容易觀察，使得植物可以在鹽堿地里生存，增加植物在極端環(huán)境里的生存率，從而提高植物產(chǎn)量。

5.2" 單次多組基因編輯提高種子適應(yīng)力

運(yùn)用CRISPR/Cas9多重基因組編輯技術(shù)方法，對(duì)控制水稻籽粒形狀的調(diào)控因子基因 GS3和GL3.1進(jìn)行突變。研究發(fā)現(xiàn)，GS3突變體籽粒細(xì)小，而GS3GL3.1雙突變體籽粒圓潤(rùn)飽滿[20]。如果把控制水稻干重的一個(gè)主要基因TGW6敲除，則收獲種子的干重有增加跡象。測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，敲除TGW6基因的水稻種子的干重增加5%。越來(lái)越多的研究表明，純合突變會(huì)使水稻單株產(chǎn)量增加[21]，為解決水稻純合突變不足的問題，利用CRISPR/Cas9 技術(shù)控制水稻基因OsGn1a，增加純合突變的概率。在多個(gè)突變類型中，基因TGTG的插入導(dǎo)致了水稻的株系、株高、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)與野生類比都有不同程度的提高，與此同時(shí)，水稻的抗倒伏以及抗病性與野生型相比也有相應(yīng)程度的增加[21]，而且植物適應(yīng)環(huán)境的能力進(jìn)一步增強(qiáng)。OsPAO5基因會(huì)抑制水稻籽粒的大小和產(chǎn)量，Cui等[22]利用 CRISPR/Cas9 技術(shù)將其敲除，敲除后的水稻大小和產(chǎn)量與野生型相比有了顯著的提高，同時(shí)突變后水稻的抗逆性、胚軸伸長(zhǎng)率都有了一定程度的上升。整體來(lái)看，敲掉了OsPAO5基因的水稻有著巨大的發(fā)展前景。

6" 總結(jié)與展望

基因編輯能夠定位基因的不同位點(diǎn)，利用工具對(duì)基因進(jìn)行插入、敲除以及修飾。改變基因片段，從而對(duì)不同的基因進(jìn)行控制。在邁入新世紀(jì)以后基因編輯技術(shù)迅速發(fā)展，呈現(xiàn)井噴之勢(shì)，現(xiàn)代育種技術(shù)與基因編輯技術(shù)互相結(jié)合突破了以往傳統(tǒng)育種的種種局限性，使得植物可以按照人為希望的性狀進(jìn)行改變，提高植物的抗病性，改良種子的品質(zhì)，提高植物的營(yíng)養(yǎng)以及風(fēng)味，增加植物的適應(yīng)能力，從而使作物經(jīng)濟(jì)價(jià)值提高。

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，傳統(tǒng)育種顯得越來(lái)越“力不從心”，主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)育種進(jìn)程緩慢，不可控因素極高，基因編輯技術(shù)在這個(gè)時(shí)候就體現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，作為一種新興的技術(shù)，其在時(shí)間和成本面前與傳統(tǒng)育種相比有著很大的改良，過去那種依靠耗費(fèi)大量人力物力進(jìn)行育種的場(chǎng)景不復(fù)存在，取而代之的是通過基因編輯技術(shù)不斷地對(duì)基因進(jìn)行編輯以及定向改造。對(duì)于優(yōu)勢(shì)基因，科學(xué)家通過基因編輯使其過表達(dá)，對(duì)于劣勢(shì)基因或者有害基因，通過沉默敲除使其不再表達(dá)，在一系列的操作下，種子就會(huì)朝著科研人員希望的方向發(fā)展，這為未來(lái)的育種工作描繪了一幅美麗的藍(lán)圖。

但基因編輯技術(shù)僅僅起源幾十年，雖然發(fā)展很快，但也面臨著很多問題。一個(gè)就是成本問題，基因編輯的成本相較于普通育種來(lái)說成本還是很高，同時(shí)，基因編輯在植物育種上存在一些性狀不穩(wěn)定的問題，這都是未來(lái)急需解決的問題，需要不斷進(jìn)行探索，以期用更加簡(jiǎn)單的基因編輯方法在植物育種中創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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基金項(xiàng)目：甘肅省教育廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃-社會(huì)發(fā)展類項(xiàng)目（20YF3FA038）

第一作者簡(jiǎn)介：周千（1996-），男，碩士研究生。研究方向?yàn)樯锓乐我约爸参锊『Α?/p>

*通信作者：田永強(qiáng)（1972-），男，博士，教授。研究方向?yàn)樯锓乐巍?/p>