基因编辑技术在农业中的应用综述

养活不断增长的人口是一项重大挑战，尤其是在气候条件迅速变化的情况下。基因组编辑将彻底改变植物育种，并有助于确保全球粮食供应。

2021年2月12日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞在Cell 在线发表题为”Genome engineering for crop improvement and future agriculture“的综述文章，该综述将重点介绍新开发的技术，同时回顾植物中基因组编辑工具的开发和应用。

该综述描述了基于基因组编辑的新植物育种策略，并讨论了它们对农作物生产的影响，重点介绍了传统育种无法实现的基于基因组编辑的植物改良的最新进展。该综述还讨论了基因组编辑面临的挑战，在实现该技术对未来作物和粮食生产的全部潜力之前，必须克服这些挑战。

另外，2020年6月29日，中国科学院遗传发育研究所高彩霞团队在Nature Biotechnology在线发表题为“Precise, predictable multi-nucleotide deletions in rice and wheat using APOBEC–Cas9”的研究论文，该研究报告了一系列APOBEC–Cas9融合诱导的缺失系统（AFIDs）的发展。使用AFID-3在水稻和小麦原生质体（30.2％）和再生植物（34.8％）中产生的缺失大约是可预测的。该研究显示eAFID-3，其中AFID-3中的A3A被截短的APOBEC3B（A3Bctd）取代，产生更均匀的缺失。AFID可以用于研究调控区域和蛋白质结构域，以改善农作物（点击阅读）。

2019年11月6日，Nature Review Molecular Cell Biology（IF 55.47）杂志在线发表了来自中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞课题组题为“Applications of CRISPR–Cas inagriculture and plant biotechnology”的综述文章。该文章首先重点介绍最新的精准基因编辑技术，例如碱基编辑和引导编辑系统。之后讨论了CRISPR–Cas系统在提高植物产量、品质、抗病性和抗除草剂及繁殖和加速驯化中的作用。最后重点介绍CRISPR-Cas相关联的植物生物技术的最新突破，包括CRISPR-Cas元件递送，基因调控，多重基因编辑和诱变以及定向进化技术。值得注意的是，去年该课题组在Annual Review of Plant Biology杂志发表题为“CRISPR/Cas Genome Editingand Precision Plant Breedingin Agriculture”的综述文章。能够连续在两大权威顶尖综述杂志上发表关于基因编辑在农业育种中应用的综述文章，也从另一个方面说明了该课题在植物基因编辑领域处在世界领先水平（点击阅读）。

2019年2月28日，中科院遗传所高彩霞团队在Science发表题为“Cytosine, but not adenine, base editors induce genome-wide off-target mutations in rice”的研究论文，该论文对水稻（一种重要的作物物种）中BE3，HF1-BE3和ABE的全基因组脱靶突变进行了全面调查。该研究发现BE3和HF1-BE3而非ABE诱导大量全基因组脱靶突变，主要是C→T型单核苷酸变体（SNV），并且在富含基因区域。值得注意的是，在没有sgRNA的情况下用BE3或HF1-BE3处理水稻也导致全基因组SNV的增加。因此，需要优化BE3或HF1-BE3的碱基编辑单元以获得高保真度(点击阅读)。

2018年10月1日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组等人在Nature Biotechnology 上在线发表了题为”Domestication of wild tomato is accelerated by genome editing“的研究论文，该研究选用天然耐盐碱和抗细菌疮痂病的野生醋栗番茄(Solanum pimpinellifolium) 为基础材料，运用基因编辑技术精准靶向多个产量和品质性状控制基因的编码区及调控区，在不牺牲其对盐碱和疮痂病天然抗性的前提下，将产量和品质性状精准地导入了野生番茄，加速了野生植物的人工驯化。研究人员使用多靶点CRISPR/Cas9载体系统，精准靶向开花光周期敏感性、株型和果实同步成熟控制基因SP和SP5G的编码区(Coding region)、果实大小控制基因SlCLV3 和SlWUS的顺式调控元件(Cis-regulatory element) 和维生素C合成酶基因SlGGP1的上游开放阅读框 (Upstream Open Reading Fragment, uORF)，获得了140个独立的基因编辑株系，后代群体的基因型和表型鉴定表明，基因编辑消除了野生番茄开花的光周期敏感性，突破了栽种的地理范围限制，实现了野生植物驯化的第一步。同时将醋栗番茄开花晚、坐果稀的无限生长型(Indeterminate)的株型变成了“双有限”生长型(Double determinate)的紧凑株型，提高了坐果率、果实成熟的同步性和收获指数。而对小肽基因SlCLV3 及其信号途径下游基因SlWUS的顺式调控元件和SlGGP1上游开放阅读框的编辑使野生番茄果实变大，维生素C含量升高。盐处理和疮痂病菌接种实验表明，上述重要农艺性状的精准导入并没有影响野生番茄的天然抗性。该研究首次通过基因编辑实现野生植物的快速驯化，为精准设计和创造全新作物提供了新的策略（点击阅读）。

2018年10月1日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组等人在Nature Biotechnology 上在线发表了题为”Efficient C-to-T base editing in plants using a fusion of nCas9 and human APOBEC3A“的研究论文。该研究利用nCas9和人源胞嘧啶脱氨酶 (APOBEC1)升级了C至T替换的单碱基编辑系统，并成功地在小麦、水稻和马铃薯基因组中实现高效的单碱基定点突变（点击阅读）。

2018年8月6日，中科院遗传发育研究所高彩霞研究组在Nature Biotechnology 在线发表题为“Genome editing of upstream open reading frames enables translational control in plants”的研究论文，该论文发现植物中内源性uORF的基因组编辑能够调节来自发育或抗氧化剂生物合成中涉及的四种pORF的mRNA的翻译。这些数据表明，编辑植物uORF提供了一种通用的，有效的方法来操纵mRNA的翻译，该方法可用于解剖生物机制和改良作物（点击阅读）。

预计到2050年，全球人口将达到100亿。我们这个时代的主要挑战是学习如何养活不断增长的人口并成功做到这一点。由于绿色革命和植物育种技术的进步，目前的农作物产量可以为大多数人口提供充足的粮食。然而，由于气候变化和耕地有限，农作物产量似乎处于停滞甚至下降的状态。要养活全球100亿人口，就需要将产量提高60％。因此，提高农业生产率和可持续性对全世界至关重要。迫切需要作物生产中的科学突破和技术创新，以确保未来的全球粮食安全。

遗传变异是农业改良的基础。植物育种的目的是创造和利用这些遗传变异。在植物育种的悠久历史上，已使用了四种主要技术：杂交育种，突变育种，转基因育种和通过基因组编辑育种。传统的植物育种（杂交）涉及有针对性地杂交植物，以通过有性重组来结合理想的性状，在提高农业生产力方面发挥了重要作用。1950年代末开始的第一次绿色革命就是这种策略的例证，其中将“矮化”基因突变繁殖到主要的主食作物上，例如小麦和水稻，以获得高产品种。但是，由于杂交育种只能用来引入亲本基因组中已经存在的性状，因此优良种质的低遗传变异性限制了该技术的使用。

在突变育种中，化学诱变或辐射诱变被用于诱导全基因组范围内的随机突变，这大大扩大了遗传变异。但是，从大量诱变植物中鉴定出具有所需性状的稀有个体是劳动密集型且耗时的。植物育种的关键突破是转基因育种的发展，其中将来自其他生物的基因或性状引入了农作物，从而提高了产量，减少了农药的使用并改善了营养。然而，由于该技术将外来DNA随机整合到植物基因组中，并且迄今为止这些转基因作物仅被利用了少数几种，而这些转基因生物（GMO）受到严格的政府监管。另外，关于这些产品安全性的不良公众意见限制了它们的潜力。

已经开发了基因组编辑技术，可将精确的和可预测的基因组修饰引入植物中以获得所需的性状，并且它们正在产生定义下一代植物育种的精确育种技术。CRISPR/Cas已成为工程作物基因组工程的最先进系统之一。这项技术正在迅速扩展，并已应用于主要谷物，例如水稻，小麦和玉米以及对粮食安全至关重要的其他作物，例如马铃薯和木薯。此外，最近开发的与CRISPR相关的工具（如碱基编辑器和Primer编辑器）极大地扩展了基因组编辑的范围，从而可以创建精确的核苷酸取代以及靶向的DNA缺失和插入。

CRISPR-Cas技术与现代育种方法的结合，将在作物改良计划中发挥重要作用。在这篇综述中，描述了植物基因组编辑的当前状态，重点介绍了使用这些技术可以产生的遗传修饰，以及将植物基因组编辑作为下一代植物育种技术用于作物改良的应用。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.005

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