Cell | 中科院遗传发育所高彩霞研究员发表前沿综述：基因组编辑技术助力作物遗传改良和未来农业发展

撰文 | MX

责编 | 奕梵

“国以民为本，民以食为天”，粮食安全事关国计民生和社会稳定。2017年联合国粮农组织 (FAO) 曾发布一份题为《未来的粮食与农业：趋势与挑战》的报告，预测随着人口持续快速增长，2050年世界人口将达到100亿，预示着人类即将在几十年后面临全球粮食危机【1】。此外，极端气候等环境灾害以及各种病虫害也对粮食安全造成巨大威胁。技术进步是人类迎接这一挑战的重要途径。基因组编辑技术作为生命科学最新发展起来的颠覆性技术，已在农业领域得到了广泛应用，开启了植物遗传改良的一次新革命。基于基因组编辑技术的下一代育种技术可以打破现有的育种瓶颈，缩短育种进程，为保障我国及世界粮食安全带来了前所未有的发展机遇。

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研究员在Cell发表了题为Genome engineering for crop improvement and future agriculture的综述文章，对植物中基因组编辑工具的发展和应用进行了系统总结并提出新的发展方向，同时概述了基于基因组编辑技术的新育种策略并探讨了其对作物改良的影响，最后还对基因组编辑技术在促进未来粮食生产时面临的挑战和待解决的问题进行讨论。

遗传变异是作物性状遗传改良的基础，植物育种的目标是通过利用更多的遗传变异，提高农作物产量或抗病虫害能力等一系列优良的性状。传统的植物育种技术主要包括杂交育种和诱变育种，随着分子生物学和基因工程技术的发展，转基因育种及基因组编辑育种技术也开始被利用，成为新的育种技术（图1）。基因组编辑育种在农业领域被称之为“5G”育种技术。近年来，多国已经将基因组编辑育种应用于农作物的商业化生产之中，如美国、瑞典、芬兰、俄罗斯和巴西等。我国多位著名科学家曾多次建议要加速我国基因组编辑农作物的应用研究和产业化。

图1. 4种育种技术比较

该文首先对植物基因组编辑技术进行了系统的介绍。基因组编辑技术主要利用序列特异性核酸酶 (sequence-specific necleases, SSNs) 为工具，主要包括 3 种类型：锌指核酸酶 (zinc-finger nucleases, ZFN)、类转录激活因子效应物核酸酶(transcription activator-like effector nucleases, TALEN) 和CRISPR-Cas系统。这些核酸酶可以对靶位点的DNA序列进行剪切，造成DNA双链断裂 (double-strand breaks, DSBs)，真核生物具有高度保守的DSBs修复机制，断裂位置修复后会产生少量核苷酸的插入或删除，从而导致基因的突变。基因组编辑技术利用以上原理对特定位点进行基因组编辑和修饰。植物基因组编辑的一般流程包括：(1) 基于靶序列设计合适的核酸酶；(2) 构建基因组编辑载体；(3) 通过原生质体验证核酸酶的切割活性；(4) 将基因组编辑系统导入植物细胞；(5) 遗传转化的基因编辑细胞通过组织培养再生植株进行；(6) 筛选和鉴定基因组编辑植株的基因型。由于CRISPR-Cas系统的引入，植物基因组编辑技术得到迅猛发展。目前CRISPR-Cas系统主要应用的两种核酸酶为Cas9和Cas12a，最近Cas12b系统也被开发用于植物基因组编辑。基于CRISPR-Cas系统开发的单碱基编辑技术 (base editing) 是一种新型靶基因定点修饰技术，在不产生DNA双链断裂的情况下，利用胞嘧啶脱氨酶或人工进化的腺嘌呤脱氨酶对靶位点进行精准的单碱基编辑，实现C-T或A-G的替换。值得一提的是，2020年，高彩霞研究组建立了植物引导编辑系统（Plant Prime Editing, PPE），在水稻和小麦基因组中实现了精确的碱基替换、增添或删除【2】。 利用以上基因组编辑工具可以在植物中形成多种多样的遗传变异，例如：1）DNA小片段的随机插入和删除；2）单碱基替换；3）DNA片段的精准插入和删除；4）染色体重排（图2）。

图2. 利用基因组编辑技术在植物中产生遗传修饰或变异

该文随后对基因组编辑技术在植物育种中的利用展开了讨论。传统的杂交育种方法费时费力，而基因组编辑技术则能够高效、快速地进行定点突变和精准育种。随着功能基因组学研究的不断推进，大量基因的功能得到阐述，可通过基因组编辑技术对特定基因进行定点突变或修饰，从而产生预期的目标性状。利用基因组编辑技术还可以实现对多个位点的定点修饰，快速形成多种性状的叠加。此外，通过基因组编辑工具可以对数量性状位点进行编辑。农作物的多种性状受多个数量性状遗传位点 (QTLs) 的控制，这些QTLs对于性状表型具有微效性作用，并且QTLs之间往往具有相互作用。对处于非编码区或基因调控区的变异位点，很难通过其他手段进行研究，但通过基因组编辑工具可对QTLs进行编辑，特别是低重组区的QTLs的聚合。

目前生产中的主要农作物是从几千年前的野生祖先种驯化而来，驯化的过程中获得了预期的目标性状，但同时也降低了物种的遗传多样性。为了改进栽培作物的性状，往往需要从野生种中导入一些优良等位基因，但通过杂交的方法很难获得由多个基因控制的优良性状；此外，还有可能存在生殖障碍。利用基因组编辑对野生种进行从头驯化 (De novo domestication) 是一个非常有前景的育种策略【3】。传统的杂交育种通常需要繁殖6-8代才能获得高度纯合稳定的品种，通过双单倍体育种方法则大大地缩短了育种周期。利用基因组编辑工具对植物内源基因直接进行编辑可高效地获得单倍体诱导系【4】。杂种优势的利用对作物产量的提高作出了巨大贡献，然而杂种优势只在F1代表现，利用无融合生殖固定杂种优势是一项重要的工作。通过基因组编辑技术对调控减数分裂的4个关键基因的敲除实现了水稻杂种优势的固定【5】。植物基因组编辑技术还可以被用作定向进化和正向遗传学筛选工具，从全基因组范围对基因型和表型进行鉴定和筛选【6】（图 3）。

图3. 基于基因组编辑技术的作物改良新策略

文章最后对植物基因组编辑技术在解决未来农业生产问题所面临的挑战进行了讨论。该文认为首先需要提高精准的基因组编辑效率，其次需要改善基因编辑的特异性，还需优化植物的遗传转化系统，更重要的是基于科学的分类监管也将有利于释放基因组编辑在保障粮食安全上的巨大潜力。同时，该文对植物基因组编辑技术的发展进行了展望，在未来的植物合成生物学和植物微生物组工程的研究和发展中，基因组编辑技术将会发挥重要的作用。

综上所述，该文系统全面地对植物基因组编辑技术进行介绍和总结，对基因组编辑技术在植物育种中的应用展开了详细的阐述。植物基因组编辑技术的发展为育种创造了空前的机遇，利用基因组编辑工具进行高效而精确的定点突变为新一代育种和未来农业的发展开启了一次新的革命。利用基因组编辑技术对作物性状进行遗传改良，提高作物产量、品质以及抗逆抗病性，对保障未来的粮食安全具有重大意义。

参考文献

[1] Tadesse, W. et al. Genetic gains in wheat breeding and its role in feeding the world. Crop Breed. Genet. Genom. 1, e190005 (2019).

[2] Lin et al. Prime genome editing in rice and wheat. Nat Biotechnol., 2020, 38: 582–585.

[3] Li T, Yang X, Yu Y, et al. Domestication of wild tomato is accelerated by genome editing. Nat Biotechnol, 2018, 36, 1160-1163.

[4] Kelliher T, Starr D, Su X, et al. One-step genome editing of elite crop germplasm during haploid induction. Nat. Biotechnol. 2019, 37, 287-292.

[5] Wang C, Liu Q, Shen Y, et al. Clonal seeds from hybrid rice by simultaneous genome engineering of meiosis and fertilization genes. Nat Biotechnol, 2019, 37:283–286.

[6] Li C, Zhang R, Meng X, et al. Targeted, random mutagenesis of plant genes with dual cytosine and adenine base editors. Nat Biotechnol, 2020, 38(7):875-882.

文章链接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00005-2