動物基因工程技術在動物遺傳育種上的應用現狀與發展前景

宋語涵

北京林業大學生物科學與技術學院，北京 100083

動物遺傳育種是養殖業中的重要領域，通過選擇和繁殖具有優良基因型和表型的動物實現對品種的改良和生產性能的提升。動物基因工程技術可以通過改變動物基因組中的特定基因來增強動物的抗病能力、適應能力和生存能力，從而在動物育種中發揮重要作用。目前，基因組編輯技術和基因組學研究技術等的突破為動物基因工程技術的應用提供了更多的可能性。了解動物基因工程技術在動物遺傳育種中的應用現狀和發展前景對于推動動物育種的進步和農業的可持續發展具有重要意義。

1 動物基因工程技術

1.1 動物基因工程技術的定義和原理

動物基因工程技術是指運用生物技術手段對動物的基因進行修改或操控以達到特定目的的技術。它是遺傳學研究的重要分支，也是現代生物學和生命科學的關鍵領域。動物基因工程技術的原理是基于對動物基因組的認識和理解。動物的基因組由DNA 分子組成，攜帶著動物遺傳信息的編碼。基因工程技術利用DNA 重組、基因編輯和基因傳遞等方法對動物的基因組進行改變，從而改變動物的特征和性狀。

1.2 常見的動物基因工程技術

常見的動物基因工程技術包括基因敲除、基因敲入、基因編輯和轉基因技術等。基因敲除是一種將目標基因從動物基因組中刪除的技術。設計合適的“敲除子”并將其導入動物胚胎細胞，在適當的條件下，敲除子會與目標基因結合并取代它，從而使目標基因無法正常表達。基因敲除技術可用于研究目標基因的功能和作用機制。基因敲入則與基因敲除相反，是在動物基因組中插入外源基因的技術。將外源基因與敲入子融合并利用基因傳遞技術將敲入子導入動物細胞中，使其與目標基因位點結合，從而實現特定基因的敲入。基因敲入技術可用于研究特定基因在動物身上的功能和表達模式。基因編輯技術是通過針對性地修改動物基因組中的特定位點來實現對基因表達水平或基因功能的調節的。其中，CRISPR-Cas9 技術是目前最常用的基因編輯技術。它利用特定的引導RNA（gRNA）將Cas9 核酸酶引導到目標基因的位點，然后通過Cas9 核酸酶進行精確剪切，使目標基因發生突變或修復。基因編輯技術可用于特定基因的修飾和功能研究。轉基因技術是將外源基因導入目標動物的基因組并使其在目標動物身上表達的技術。一般情況下，可以利用載體（例如質粒）將目標基因導入受體動物的早期胚胎或胚胎干細胞中，進行胚胎移植或胚胎干細胞的轉移，最終產生具有外源基因的轉基因動物。轉基因技術可用于生產具有特定性狀或功能的動物模型或農藝品種。

1.3 動物基因工程的研究進展

目前，很多研究者對動物基因工程展開研究。在基因編輯技術上，李雙喜等（2023）以PRRSV 受體為切入點，綜述豬抗PRRS 育種的研究現狀。文章指出，除了發揮必要的生理功能外，CD163 分子還可作為PRRSV 感染的受體[1]。王熠晨等（2023）指出，堿基編輯技術和PE 技術具有這種潛力，不過堿基編輯技術還需要克服堿基切除修復引發的堿基隨機插入，PE 技術則需要解決錯配修復引發的錯誤編輯問題[2]。在克隆技術方面，李兆龍（2021）指出，目前我國對于早期胚胎的發生和發育機制的研究還相對薄弱，對一些基因重組編程的機制還不夠清楚，但是其作為種質資源擴繁和異種移植的前景廣闊，這將繼續激勵更多的投入和研究[3]。在基因驅動方面，王盼娣等（2021）指出，在雌性小鼠卵子發育期間激活Cas9，突變基因可達到72%的遺傳率。這種突變并不會在早期的胚胎發育時期或雄性精子發育時期導致同源重組修復，而是主要通過非同源末端連接修復方式實現。雖然對于昆蟲而言，這種驅動的效率并不高，但是這也為利用基因驅動技術防治嚙齒類生物入侵提供了寶貴的研究經驗[4]。此外，中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所豬遺傳育種科技創新團隊在豬基因組選配研究方面取得了新的進展，他們提出在追求相同預期遺傳增益的情況下，基因組選配方法相對于其他方法來說在控制近交帶來的增加效果方面明顯優越。

2 動物基因工程技術在動物遺傳育種上的應用現狀

2.1 基因功能研究

通過對動物基因進行精確編輯和調控，科學家們可以深入地研究特定基因在生物發育、生理功能和行為等方面的功能和作用。基因功能研究可以通過基因敲除和基因修飾等手段實現。其中，基因敲除是最常見的方法之一。它能夠使用基因編輯工具精確地切割和刪除目標基因的特定區域，使該基因在動物個體中的表達缺失。這樣的實驗可以揭示該基因在特定生理過程中的功能和調控機制。通過敲除特定基因，科學家們發現了一些關鍵基因對胚胎發育、免疫系統和代謝過程的重要作用。此外，通過修改基因序列、調控基因的表達級別或功能改變，基因修飾可以幫助科學家進一步了解基因的功能和調控機制。

2.2 基因治療

基因治療能夠通過修復或替換患有遺傳性疾病的動物個體的基因缺陷來達到治療和預防遺傳疾病的目的。首先，動物基因工程技術有助于治療遺傳性疾病，尤其那些由單基因突變引發的疾病。通過修復或替代患病個體中的缺陷基因，可以恢復基因功能并治療疾病。例如，基因編輯技術可以用于修復貓頭鷹視網膜變性等遺傳性視網膜疾病，改善視力。其次，動物基因工程技術在免疫治療方面也顯示出一定的潛力。通過基因修飾技術，科學家可以增強免疫細胞的活性，并提高其對疾病的識別和攻擊能力。這有助于增強動物免疫系統對感染、癌癥等疾病的免疫能力。總之，基因治療作為動物基因工程技術的一種重要應用，為動物遺傳育種提供了新的手段和策略。

2.3 育種改良

育種改良是基于基因修飾技術而發展的，科學家們可以通過精確地調控動物基因組中的特定基因來改善養殖動物的性狀，提高其經濟價值和適應性。首先，通過基因修飾技術對養殖動物的基因進行調控可以增強其生長速度、肉質品質、蛋白質合成能力等，從而提高養殖動物的生產性能。例如，通過調節生長因子和代謝相關的基因的表達水平，研究人員可以改善豬、牛等家畜的生長速度和肉質品質。其次，養殖動物常常受到疾病和感染的威脅，影響其生長和生產性能。基因修飾技術可以增強養殖動物的免疫系統和抗病能力，提高其抵抗病原體的能力。例如，通過基因編輯技術，研究人員可以增強魚類抗病能力相關基因的表達，以提高養殖魚類對病毒和細菌的抵抗力。最后，基因修飾技術還可以提升養殖動物的環境適應性。養殖動物通常需要適應多種環境條件，如高溫、低溫、高海拔等。通過調節特定基因的表達，科學家們可以增強養殖動物對不良環境的適應能力。

3 動物基因工程技術在動物遺傳育種中的發展前景

3.1 基因組編輯技術的突破

基因組編輯技術是動物基因工程技術中的重要手段。其中，CRISPR-Cas9 是目前應用最為廣泛的一種基因編輯技術。CRISPR-Cas9 技術的不斷改進將為動物遺傳育種領域帶來很大的突破。首先，在CRISPR-Cas9 技術的改進方面，科學家們正在努力提高其編輯效率和準確性。傳統的CRISPR-Cas9 系統在目標基因編輯中存在非特異性的剪切和不完全的修復等問題，容易導致編輯效果不穩定。因此，研究人員正在通過改變Cas9 蛋白的構型、引入其他輔助因子、優化導向RNA 引物和修復修飾路徑等方式提升CRISPR-Cas9 系統的編輯效率和準確性。其次，新興的基因組編輯技術，如基因組底物編輯、基因組置換等也有望為動物遺傳育種帶來新的可能。基因組底物編輯技術通過合成底物修復DNA 來實現精確的基因編輯，可以有效克服CRISPR-Cas9 系統在特異性編輯方面的限制。基因組置換可以通過提升特定基因在種群中的傳播和遺傳穩定性來實現遺傳育種進程的加速發展。最后，基因組編輯技術的應用范圍也將不斷擴大。除單基因編輯外，多基因編輯、基因組重排和表觀遺傳修飾等技術也將在動物遺傳育種中發揮重要作用。通過精確編輯多個目標基因，可以實現更復雜的功能改造，如提高產量、改善產品質量、增強抗病能力等。

3.2 基因組學研究的深入

動物基因工程技術在動物遺傳育種領域的發展前景非常廣闊，在基因組學研究方面，建立和整合動物基因圖譜將成為一個重要的發展方向。隨著高通量測序技術的進步，研究人員可以更快速、更全面地解析動物基因組中的基因和調控元素。研究人員正在進行大規模的基因組測序項目并為各種動物建立基因圖譜，這有助于人們深入了解動物基因組的組成、結構和功能，從而為動物遺傳育種提供更多的基礎信息。

4 結語

動物基因工程技術作為現代生物技術的一項重要應用，可以通過精確編輯動物基因組來選擇和改變有益基因的表達，進而改良動物種群的遺傳特性。在未來，動物基因工程技術有望在遺傳育種領域取得更大突破。隨著新一代基因編輯技術的不斷發展和成熟，動物遺傳育種目標將被更精準地實現。本文對動物基因工程技術在動物遺傳育種方面的應用現狀與發展前景進行研究，以期為相關領域提供借鑒。