基因編輯技術在食品工業的應用研究進展?

摘 要：隨著基因編輯技術的飛速發展，其在食品工業中的應用日益廣泛，為食品的安全生產、營養改良和品質提升提供了新的技術手段。本文通過介紹基因編輯技術的原理，分析其在食品工業中的應用現狀，探討基因編輯技術在食品工業的應用中面臨的倫理、法規和消費者接受度等方面的挑戰，并提出相應的解決對策，以期推動基因編輯技術的進步，為食品工業的可持續發展提供新的思路。

關鍵詞：基因編輯技術；食品工業；應用研究；CRISPR-Cas9

Advances in the Application of Gene Editing Technology in the Food Industry

WANG Huibao， CHOU Boqian， LYU Shijin， WANG Yalan， WEI Junqi， ZHANG Tao*

（Colloge of Environment Engineering， Gansu Forestry Voctech University， Tianshui 741020， China）

Abstract： With the rapid development of gene editing technology， its application in the food industry is becoming increasingly widespread， providing new technological means for the safe production， nutritional improvement， and quality enhancement of food. This article introduces the principle of gene editing technology and analyzes its current application status in the food industry， explores the ethical， regulatory， and consumer acceptance challenges faced by gene editing technology in the food industry， and proposes corresponding solutions， in order to promote the advancement of gene editing technology and provide new ideas for the sustainable development of the food industry.

Keywords： gene editing technology; food industry; application research; CRISPR-Cas9

基因編輯技術，特別是CRISPR-Cas9系統的發現，為生物科學領域帶來了革命性的變化。這種技術使科學家能夠以較高的精確度對基因組進行編輯，包括添加、刪除或替換特定的基因序列。在食品工業中，基因編輯技術的應用前景廣闊，它可以用于改良作物品種，提高食品的營養價值和安全性，以及開發新的食品原料和添加劑。基于此，本文將綜述基因編輯技術在食品工業中的應用研究進展，并探討其在食品生產和加工中的潛在影響。

1 基因編輯技術的原理

基因編輯技術是基于分子生物學原理發展起來的，它利用特定的核酸酶對目標基因進行精確切割和修改。CRISPR-Cas9系統是目前最常用的基因編輯工具之一。CRISPR代表“規律性成簇間隔短回文重復序列”，這是一種在細菌中發現的天然免疫機制。Cas9則是一種特殊的酶，具備切割DNA的能力[1]。研究人員通過設計特定的RNA序列，可以精確地引導Cas9酶到達基因組中特定的位點。通過這種機制，可以精確地修改基因序列，實現基因的敲除、插入或替換。

CRISPR-Cas9系統的組成主要包括以下幾個部分。①Cas9酶。Cas9是一種核酸酶，它能夠識別并切割特定的DNA序列。②導向RNA（gRNA）。導向RNA，也稱為CRISPR RNA或crRNA，是一段單鏈RNA分子，它將Cas9酶引導到基因組中的正確位置，確保Cas9能精確地識別并切割目標DNA序列。③轉錄激活因子效應器核酸酶（tracrRNA）。在某些CRISPR-Cas9系統中，tracrRNA可以與gRNA結合，幫助gRNA正確折疊并引導Cas9酶。④目標DNA序列。目標DNA序列是基因組中需要被編輯的部分。在CRISPR-Cas9系統中，目標序列通常是一個特定的三核苷酸序列，稱為原間隔序列臨近基序（Protospacer Adjacent Motif，PAM），它緊鄰著gRNA所識別的20個核苷酸序列。⑤修復機制。當DNA被Cas9酶切割后，細胞會啟動自身的DNA修復機制，包括非同源末端連接（Non-Homologous End Joining，NHEJ）和同源定向修復（Homology Directed Repair，HDR）這兩種主要的修復途徑。⑥修復模板（在進行同源定向修復時使用）。修復模板是一段含有與目標DNA序列同源的DNA片段，它可以被引入細胞中，以提供修復所需的正確序列。這對于添加、刪除或替換基因組中的特定基因序列至關重要。

2 基因編輯技術在食品工業中的應用現狀

2.1 作物品種改良

基因編輯技術可以用于改良作物品種，以提高作物的抗病性、抗旱性、營養價值和產量。例如，LI等[2]通過敲除小麥中的特定基因，提高其對白粉病的抗性；LI等[3]運用基因編輯技術，將產量和品質性狀精準地導入野生番茄，實現了野生番茄光敏性的改變和果實體積的增大。

2.2 食品原料的開發

基因編輯技術可以用于開發新的食品原料。例如，研究人員使用CRISPR-Cas9核酸酶系統在大豆中高效且特異性地整合或突變FAD2-2基因，使得油酸含量顯著提高了65.58%[4]；MA等[5]通過CRISPR/Cas9介導的淀粉分支酶基因編輯，提高了玉米中的高直鏈淀粉和抗性淀粉含量。

2.3 食品級細菌上的技術研究

乳酸菌和雙歧菌作為益生菌的代表，在確保人體健康及疾病防治方面發揮著關鍵作用。然而，對于它們調節人體和動物健康的機制尚不完全明確。先進的基因編輯技術有助于推動開發具有增強功能的新型基因編輯益生菌。近年來，CRISPR-Cas系統已經開發出針對乳酸菌和雙歧菌的多種靈活且通用的基因編輯工具[6]。

2.4 食品安全的提高

基因組編輯技術通過敲除食品中的致敏基因表達，顯著提升了食品的安全性。例如，研究團隊運用CRISPR/Cas9基因組編輯技術，成功實現了對表達過敏原β-乳球蛋白的BLG基因的敲除，并在該基因位點上插入了人乳鐵蛋白基因[7]。該研究不僅有效消除了人類對山羊奶的過敏反應，而且大幅提升了山羊奶的營養價值。

3 基因編輯技術在食品工業應用中面臨的挑戰

3.1 倫理問題

基因編輯技術，尤其是CRISPR-Cas9系統，為醫學、農業和生物技術領域帶來了革命性變革，但也引發了倫理問題。它可能會干擾生物多樣性和自然進化，進而影響生態平衡。同時，這項技術存在健康風險，如非目標效應和新疾病的產生。此外，這項技術還可能加劇社會不平等，主要原因在于它的成本較高，可能只有經濟條件較好的人群能承擔。

3.2 法規問題

基因編輯技術在提高作物產量和營養、治療遺傳疾病方面展現出巨大潛力，但需遵守嚴格的法規。①安全性評估。基因編輯作物和產品在上市前需要經過嚴格的安全性評估，以確保其對人類健康和環境的影響是可接受的。②生物多樣性保護?；蚓庉嫾夹g可能對生態系統造成影響，因此需要遵循相關法規以保護生物多樣性，防止基因編輯作物對自然生態的干擾。③產品標簽透明度。許多國家和地區要求對基因編輯食品進行明確標示，以提高消費者對產品的知情權。④知識產權問題?；蚓庉嫾夹g涉及復雜的知識產權問題，特別是在多個基因片段的編輯和重組過程中，可能導致知識產權歸屬不明確，引發法律糾紛。⑤跨境轉移法規限制?；蚓庉嫾夹g的產品在國際貿易中可能面臨不同國家和地區的法規限制，可能導致貿易壁壘。

3.3 消費者接受度問題

基因編輯技術在食品工業中具有提升產量、營養價值和治療遺傳疾病的潛力，但需考慮消費者對基因編輯技術的接受度問題。當前，公眾對基因編輯技術的風險問題有所擔憂，尤其是生殖系基因編輯技術，存在很多安全性問題。這些風險問題會降低公眾對基因編輯技術的接受度。提高接受度的關鍵在于需要對上市的含有遺傳工程成分的食品進行標識。同時，相關人員需要廣泛與消費者溝通，進行生物技術方面的科普宣傳，以打消他們食用相關產品的顧慮。

4 解決對策

4.1 加強教育與宣傳

①制訂和實施全面的教育計劃。可以在基礎教育和高等教育中整合基因編輯相關的課程，同時為專業人士提供持續教育和專業培訓，確保他們對最新的基因編輯技術有深入了解。②利用媒體和在線平臺，定期舉辦公眾講座和研討會，邀請領域專家向公眾解釋基因編輯技術的原理、應用和潛在影響。同時，開發在線教育資源和平臺，提供互動式學習工具，使公眾能夠隨時隨地獲取信息，以提高其知識水平。

4.2 制定法規或指南

制定明確的法規和指南對于規范基因編輯技術的應用至關重要。①對基因編輯作物和產品進行嚴格的安全性評估，以確保其對人類健康和環境的影響是可接受的。②通過加強國際合作與協調，可以減少貿易壁壘，促進基因編輯產品的全球流通，并確保不同國家和地區之間的法規一致性。③科學研究與倫理監管應在相互作用的過程中協同發展，確保應用基因編輯技術開展的研究在現有的倫理監管框架下進行。

4.3 提高消費者接受度

為了提高消費者對基因編輯食品的知情權，首先需要實施明確的標簽制度，這是確保消費者能夠輕松識別產品是否經過基因編輯技術處理的關鍵步驟。具體而言，基因編輯食品的包裝上必須明確標識，使用易于理解的語言，避免技術性術語，以便消費者能夠快速理解產品信息。此外，信息透明度也是提高消費者知情權的重要組成部分。產品包裝上應提供產品的生產過程、基因編輯的具體目的以及潛在的健康和環境影響等詳細信息。消費者還可以通過官方網站或掃描產品包裝上的二維碼來獲取更深入的信息。

5 結語

基因編輯技術正引領食品工業的創新，它不僅能精確改良作物，提高其營養價值和適應性，還為開發新型食品原料提供了可能。這項技術還能改善食品添加劑，使食品更天然、健康，并延長保質期。盡管面臨倫理和法規挑戰，技術的進步和監管的完善預示著基因編輯將在食品生產中扮演更重要角色，促進資源高效利用，減少浪費，并滿足市場對高品質、健康、可持續食品的需求。這標志著食品工業正朝著更高效、環保、消費者導向的方向發展，為全球食品供應鏈的可持續性提供支持。

參考文獻

[1]DOUDNA J A，CHARPENTIER E.The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9[J].Science，2014，346（6213）：1258096.

[2]LI S，LIN D，ZHANG Y，et al.Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties[J].Nature，2022，602（7897）：455-460.

[3]LI T，YANG X，YU Y，et al.Domestication of wild tomato is accelerated by genome editing[J].Nature Biotechnology，2018，36（12）：1160-1163.

[4]AL AMIN N，AHMAD N，WU N，et al.CRISPR-Cas9 mediated targeted disruption of FAD2-2 microsomal omega-6 desaturase in soybean （Glycine max.L）[J].BMC Biotechnology，2019，19：1-10.

[5]MA M，SUN S，ZHU J，et al.Engineering high amylose and resistant starch in maize by CRISPR/Cas9-mediated editing of starch branching enzymes[J].The Crop Journal，2024，12（4）：1252-1258.

[6]陳少俊，李剛，奈子達，等.基因編輯益生菌在動物腸道健康上的研究及應用[J].中國畜牧獸醫，2023，50（3）：1016-1024.

[7]周文君，郭日紅，鄧明田，等.RS-1提高CRISPR-Cas9系統介導的人乳鐵蛋白基因敲入效率[J].生物工程學報，2017，33（8）：1224-1234.

基金項目：2023年甘肅省大學生創新訓練計劃項目“高產維生素C油菜培育”（20231283515）。

作者簡介：王會寶（1989—），男，甘肅白銀人，博士，副教授。研究方向：食品中抗生物及獸藥檢測。

通信作者：張濤（1989—），男，甘肅武威人，博士，副教授。研究方向：食品中細菌檢測。E-mail： 243484808@qq.com。