利用基因编辑对作物进行精准定向进化

（2021.3.7 植物生物技术Pbj）

人类人口增长增加了对粮食作物、动物饲料、生物燃料和生物材料的需求，同时气候变化正在影响环境增长条件。迫切需要开发既能承受不利生长条件又能减少投入的作物品种。植物育种对全球粮食安全至关重要，虽然它受益于现代技术，但它仍然受到遗传多样性、连锁力以及将多种有利的等位基因组合成复杂性状的有效方法的限制。CRISPR/Cas技术已经改变了跨生物系统的基因组编辑，并有望以其高精度、易设计、复用能力和低成本改变农业。作者讨论了将基于CRISPR/Cas的基因编辑整合到作物育种中，以促进驯化和改良适合各种应用和生长环境的自交系作物品种。使用基于CRISPR/Cas的基因编辑来修复理想的等位基因变体，产生新的等位基因，打破有害的遗传联系，并将有利的基因座导入优良品系。

近日，加拿大加拿大国家水产和作物资源开发中心在植物学杂志Plant Biotechnology Journal上在线发表了题为“Advanced domestication： harnessing the precision of gene editing in crop breeding”的综述，作者就基于CRISPR/Cas的基因编辑来修复理想的等位基因变体等进行了评述。

基于CRISPR/Cas的基因编辑可以实现有针对性的序列修饰。自从CRISPR/Cas技术在细菌中被发现并被应用于真核基因编辑工具以来，它已经被用于多种基因组编辑功能。与其他基因编辑工具（例如TALENS或ZFN）相比，这项技术的成功与它的高精度、易设计性和低成本有关。并且在特异性、精确性和脱靶效果、编辑能力以及在靶生物中的易用性方面都有了改进。特别是新的SpCas9变体、Cas9同源基因和CRISPR相关酶的开发。

CRISPR/Cas的基因编辑工具包已经分布在世界上许多主要粮食作物中，包括玉米、小麦和水稻。此外，该基因编辑工具还应用于多种水果作物，如番茄、西瓜、香蕉、葡萄和黄瓜。一般来说，农杆菌介导的基因转移被广泛用于转化全能细胞;然而，也可以使用基因敲除基因转移、原生质体转化和小孢子转化。因为Cas9/gRNA活性一旦产生编辑，基因组编辑就不再需要用体外Cas9核糖核蛋白复合物制剂（通过微量注射、粒子轰击等方式递送）和使用病毒递送载体。组织细胞培养和再生通常需要生成一个完整的植株。根据物种或物种内的品种/基因型，再生通常被认为是最大的瓶颈，尽管CRISPR已经实现了广泛的应用作物种类的多样性、广泛的实施和使用仍然在很大程度上受到与CRISPR技术的转化、再生和耗时等因素的制约。

驯化和植物育种产生了适合当地生长条件的高产作物品种。然而，不断增长的人口面临着一系列农业挑战，包括气候变化、非生物和生物压力源的变化、耕地的流失，以及对可持续和精确农业做法的需求。许多作物性状已通过驯化固定下来，在这篇综述中，作者讨论了其他重要性状的稳定遗传。基于CRISPR/Cas的基因编辑提供了方法，通过基因编辑，可以创建自然發生的等位基因变体，而不受传统导入育种的限制。此外，还创造新的理想的遗传变异和抵消受损的等位基因进行选择性育种。通过CRISPR/Cas指导减数分裂重组，还可以操纵遗传等位基因，产生具有更理想等位基因组合的植物。然而，围绕基因编辑植物品系的调控框架将影响这项技术的实现方式和地点。基因编辑提供了很好的机会，可以融合功能基因特性与应用植物育种。