利用基因編輯對作物進行精準定向進化

（2021.3.7 植物生物技術Pbj）

人類人口增長增加了對糧食作物、動物飼料、生物燃料和生物材料的需求，同時氣候變化正在影響環境增長條件。迫切需要開發既能承受不利生長條件又能減少投入的作物品種。植物育種對全球糧食安全至關重要，雖然它受益于現代技術，但它仍然受到遺傳多樣性、連鎖力以及將多種有利的等位基因組合成復雜性狀的有效方法的限制。CRISPR/Cas技術已經改變了跨生物系統的基因組編輯，并有望以其高精度、易設計、復用能力和低成本改變農業。作者討論了將基于CRISPR/Cas的基因編輯整合到作物育種中，以促進馴化和改良適合各種應用和生長環境的自交系作物品種。使用基于CRISPR/Cas的基因編輯來修復理想的等位基因變體，產生新的等位基因，打破有害的遺傳聯系，并將有利的基因座導入優良品系。

近日，加拿大加拿大國家水產和作物資源開發中心在植物學雜志Plant Biotechnology Journal上在線發表了題為“Advanced domestication： harnessing the precision of gene editing in crop breeding”的綜述，作者就基于CRISPR/Cas的基因編輯來修復理想的等位基因變體等進行了評述。

基于CRISPR/Cas的基因編輯可以實現有針對性的序列修飾。自從CRISPR/Cas技術在細菌中被發現并被應用于真核基因編輯工具以來，它已經被用于多種基因組編輯功能。與其他基因編輯工具（例如TALENS或ZFN）相比，這項技術的成功與它的高精度、易設計性和低成本有關。并且在特異性、精確性和脫靶效果、編輯能力以及在靶生物中的易用性方面都有了改進。特別是新的SpCas9變體、Cas9同源基因和CRISPR相關酶的開發。

CRISPR/Cas的基因編輯工具包已經分布在世界上許多主要糧食作物中，包括玉米、小麥和水稻。此外，該基因編輯工具還應用于多種水果作物，如番茄、西瓜、香蕉、葡萄和黃瓜。一般來說，農桿菌介導的基因轉移被廣泛用于轉化全能細胞;然而，也可以使用基因敲除基因轉移、原生質體轉化和小孢子轉化。因為Cas9/gRNA活性一旦產生編輯，基因組編輯就不再需要用體外Cas9核糖核蛋白復合物制劑（通過微量注射、粒子轟擊等方式遞送）和使用病毒遞送載體。組織細胞培養和再生通常需要生成一個完整的植株。根據物種或物種內的品種/基因型，再生通常被認為是最大的瓶頸，盡管CRISPR已經實現了廣泛的應用作物種類的多樣性、廣泛的實施和使用仍然在很大程度上受到與CRISPR技術的轉化、再生和耗時等因素的制約。

馴化和植物育種產生了適合當地生長條件的高產作物品種。然而，不斷增長的人口面臨著一系列農業挑戰，包括氣候變化、非生物和生物壓力源的變化、耕地的流失，以及對可持續和精確農業做法的需求。許多作物性狀已通過馴化固定下來，在這篇綜述中，作者討論了其他重要性狀的穩定遺傳。基于CRISPR/Cas的基因編輯提供了方法，通過基因編輯，可以創建自然發生的等位基因變體，而不受傳統導入育種的限制。此外，還創造新的理想的遺傳變異和抵消受損的等位基因進行選擇性育種。通過CRISPR/Cas指導減數分裂重組，還可以操縱遺傳等位基因，產生具有更理想等位基因組合的植物。然而，圍繞基因編輯植物品系的調控框架將影響這項技術的實現方式和地點。基因編輯提供了很好的機會，可以融合功能基因特性與應用植物育種。