基因編輯CRISPR技術在農產品 及食品生產中的應用進展

◎ 劉 楊

（大連市檢驗檢測認證技術服務中心，遼寧 大連 116630）

基因編輯技術是能精確的對生物體基因組特定目標基因進行修飾的一種基因工程技術，而CRISPR技術是目前應用最廣泛的基因編輯技術之一。隨著CRISPR技術不斷成熟，該技術也成功應用于農產品生產及食品加工中[1]，并能大幅改善相關產品的質量及產量，有助人類營養水準及生活品質的提升。

1 CRISPR技術在農作物改良上的應用

傳統育種法是在植物自發性突變后，通過人為選擇從自然界中挑選出具有特定表征的變異植株，再經過反復地雜交與回交，篩選出穩定表現特定性狀的農作物，如產量高、抗病力強或易栽培等。但這種方法的效率低，耗時長，產生的特定性狀變異植株也未必能夠符合需求。

基于CRISPR編輯基因的高效率及準確性，使用此技術改良農作物成為絕佳的選擇，可以使農作物種植具有更高的效益，并且可能會使農作物含有更多營養物質或有更長的保存期限。SHEN等利用CRISPR/Cas9技術對4種不同的水稻品種進行基因編輯，研究發現gs3和gs3gn1a突變體的粒長和千粒重均有所增加[2]。LI等利用CRISPR/Cas9技術，以中花11水稻品種為基礎材料，對GS3、IPA1、Gn1a和DEP1這4個與產量性狀相關聯的基因進行定向編輯，發現帶有gn1a、gs3和dep1這3種基因的突變體植株的穗數、粒重和每穗粒數均增加[3]。

通過CRISPR基因編輯技術還能顯著提高農作物的抗逆境能力和抗病性。ARGOS基因為植物乙烯傳導途徑的負調節因子，為了降低編輯玉米對乙烯的敏感度，通過轉移玉米的UBIQUITIN1啟動子驅動的ARGOS8基因，在玉米中過量表達ARGOS8基因，結果在干旱逆境下，對比對乙烯不敏感的玉米的谷粒產量，比非基因編輯的玉米高[4]。OsERF922基因突變會使水稻抗稻熱病的相關基因表達量提高，使水稻不容易感染稻熱病。以RNA干擾技術默化水稻OsERF922基因，可以增加水稻對稻熱病的抗病性[5]。

2 CRISPR技術在優化畜產品上的應用

CRISPR技術在家畜（禽）育種中扮演了重要的角色，通過基因編輯改變家畜（禽）的性狀以符合人類的需求，使動物育種向大規模化及多基因改良的方向發展，提高人類的營養水平和生活品質。

BROPHY等利用同源重組技術，生產出β酪蛋白高表達牛[6]。WANG等使用CRISPR技術對豬和牛的肌肉生長抑制素（Myostatin，MSTN）進行基因編輯，改造后的MSTN基因在細胞培養及胚胎中可抑制肌細胞的增殖與分化，引起動物表現雙肌性狀，如明顯的肌肉突出物、較寬的背部或臀部等，可促進動物產生更多的肉，對豬、牛等肉用家畜的培育有極大幫助[7]。

宋紹征等利用CRISPR技術標靶作用在山羊胚胎纖維母細胞，成功剔除了羊奶過敏物質β-乳球蛋白的基因，顯著提高了羊奶的品質[8]，有潛力進一步作為醫療和農業研究之用。

利用基因編輯技術還能極大提高禽畜的抗病能力。KERR等在2001年的研究發現表達hDAF外源基因的豬可以提高自身免疫能力[9]，WALL等人研究表明溶葡萄球菌酶的過表達可以有效控制奶牛乳腺炎[10]。

3 CRISPR技術在水產品改造上的應用

水產養殖領域具有季節性，產量起伏很大，很難估計是否足以供應所需，而CRISPR技術的引入為水產養殖領域帶來了深遠影響。最近幾年，科學家們已經利用高通量測序技術對鯉魚、斑點叉尾鮰、半滑舌鰨、牙鲆、草魚、翹嘴紅鲌、團頭魴、尼羅羅非魚、青鳉、大黃魚、大西洋鮭、大西洋鱈和石斑魚等多種水產養殖魚類的基因組進行測序[11-12]，為基因編輯在水產養殖魚類中的應用提供了豐富的遺傳信息資源，未來還有更多的水產種類將要開展測序工作。

2017年，MOON等成功利用CRISPR技術標靶作用在鯰魚胚胎的肌肉生長抑制素（MSTN）基因，結果發現長成的鯰魚平均體重增加29.7%，此外，Dunham以鯰魚作為研究對象，使用CRISPR技術成功地抑制了三個生殖激素基因，必須經過特定處理后，才可進行繁衍[13]。

2019年，周云迪等通過CRISPR技術建立了青鳉foxl2基因缺失的突變體，foxl2突變體有遺傳雌性、生理雄性的表型特征，結果表明，foxl2對維持青鳉性腺功能具有重要作用[14]。董穎等首次通過在小體鱘胚胎中同時轉入紅色和綠色熒光蛋白載體，利用TALENS和CRISPR/Cas9進行編輯獲得具有單一熒光的后代，實現了基因編輯技術在多倍體鱘魚中的應用[15]。

4 CRISPR在改造食品生產的微生物上的應用

制造食品所涉及的各類微生物如發酵菌、益生菌等，都可以使用CRISPR技術加以改造，經過基因改造過的微生物生產效率較高，除可提升品質及產能外，還可節省成本。

許多食品的生產依賴微生物的發酵作用，但微生物（如細菌、真菌等）遭受病毒或噬菌體的感染后，生長或代謝亦會受到影響，這對食品業造成的沖擊是很大的。例如，嗜熱性鏈球菌受到噬菌體的感染后，將嚴重影響產品的生產。2007年，美國杜邦公司使用CRISPR技術改造嗜熱性鏈球菌的基因組，使其成為噬菌體不敏感性突變株而免受侵襲，解決嗜熱性鏈球菌受到噬菌體感染而降低或失去產能的問題[16]。

CRISPR技術還可以用來改善食品品質，例如不會褐變的雙孢菇、更細嫩的肉品及更可口的高麗菜等。2016年，美國科學家利用CRISPR技術敲除了6個會導致雙孢菇褐變的多酚氧化酶（Polyphenol oxidase，PPO）基因中的1個，而降低了約30%的PPO活性[17]。

5 結語

目前國內已有很多實驗室使用CRISPR技術于基礎研究，如建立實驗動物模式、可用生產農作物的基因改造植物、畜產品的基因改造動物及生產食品的微生物基因改造等。雖然大多數研究成果僅限于實驗室或田間試驗階段，但是以目前技術進步的速度來看，相信在不久的將來制造出來的產品將被用于實際應用。