Cell | 中科院遺傳發育所高彩霞研究員發表前沿綜述：基因組編輯技術助力作物遺傳改良和未來農業發展

撰文 | MX

責編 | 奕梵

“國以民為本，民以食為天”，糧食安全事關國計民生和社會穩定。2017年聯合國糧農組織 (FAO)曾釋出一份題為《未來的糧食與農業：趨勢與挑戰》的報告，預測隨著人口持續快速增長，2050年世界人口將達到100億，預示著人類即將在幾十年後面臨全球糧食危機【1】。此外，極端氣候等環境災害以及各種病蟲害也對糧食安全造成巨大威脅。技術進步是人類迎接這一挑戰的重要途徑。基因組編輯技術作為生命科學最新發展起來的顛覆性技術，已在農業領域得到了廣泛應用，開啟了植物遺傳改良的一次新革命。基於基因組編輯技術的下一代育種技術可以打破現有的育種瓶頸，縮短育種程序，為保障我國及世界糧食安全帶來了前所未有的發展機遇。

2021年2月12日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞研究員在Cell發表了題為Genome engineering for crop improvement and future agriculture的綜述文章，對植物中基因組編輯工具的發展和應用進行了系統總結並提出新的發展方向，同時概述了基於基因組編輯技術的新育種策略並探討了其對作物改良的影響，最後還對基因組編輯技術在促進未來糧食生產時面臨的挑戰和待解決的問題進行討論。

遺傳變異是作物性狀遺傳改良的基礎，植物育種的目標是透過利用更多的遺傳變異，提高農作物產量或抗病蟲害能力等一系列優良的性狀。傳統的植物育種技術主要包括雜交育種和誘變育種，隨著分子生物學和基因工程技術的發展，轉基因育種及基因組編輯育種技術也開始被利用，成為新的育種技術（圖1）。基因組編輯育種在農業領域被稱之為“5G”育種技術。近年來，多國已經將基因組編輯育種應用於農作物的商業化生產之中，如美國、瑞典、芬蘭、俄羅斯和巴西等。我國多位著名科學家曾多次建議要加速我國基因組編輯農作物的應用研究和產業化。

圖1. 4種育種技術比較

該文首先對植物基因組編輯技術進行了系統的介紹。基因組編輯技術主要利用序列特異性核酸酶(sequence-specific necleases, SSNs) 為工具，主要包括 3 種類型：鋅指核酸酶 (zinc-finger nucleases, ZFN)、類轉錄啟用因子效應物核酸酶(transcription activator-like effector nucleases, TALEN) 和CRISPR-Cas系統。這些核酸酶可以對靶位點的DNA序列進行剪下，造成DNA雙鏈斷裂 (double-strand breaks, DSBs)，真核生物具有高度保守的DSBs修復機制，斷裂位置修復後會產生少量核苷酸的插入或刪除，從而導致基因的突變。基因組編輯技術利用以上原理對特定位點進行基因組編輯和修飾。植物基因組編輯的一般流程包括：(1) 基於靶序列設計合適的核酸酶；(2) 構建基因組編輯載體；(3) 透過原生質體驗證核酸酶的切割活性；(4) 將基因組編輯系統匯入植物細胞；(5) 遺傳轉化的基因編輯細胞透過組織培養再生植株進行；(6) 篩選和鑑定基因組編輯植株的基因型。由於CRISPR-Cas系統的引入，植物基因組編輯技術得到迅猛發展。目前CRISPR-Cas系統主要應用的兩種核酸酶為Cas9和Cas12a，最近Cas12b系統也被開發用於植物基因組編輯。基於CRISPR-Cas系統開發的單鹼基編輯技術 (base editing) 是一種新型靶基因定點修飾技術，在不產生DNA雙鏈斷裂的情況下，利用胞嘧啶脫氨酶或人工進化的腺嘌呤脫氨酶對靶位點進行精準的單鹼基編輯，實現C-T或A-G的替換。值得一提的是，2020年，高彩霞研究組建立了植物引導編輯系統（Plant Prime Editing, PPE），在水稻和小麥基因組中實現了精確的鹼基替換、增添或刪除【2】。 利用以上基因組編輯工具可以在植物中形成多種多樣的遺傳變異，例如：1）DNA小片段的隨機插入和刪除；2）單鹼基替換；3）DNA片段的精準插入和刪除；4）染色體重排（圖2）。

圖2. 利用基因組編輯技術在植物中產生遺傳修飾或變異

該文隨後對基因組編輯技術在植物育種中的利用展開了討論。傳統的雜交育種方法費時費力，而基因組編輯技術則能夠高效、快速地進行定點突變和精準育種。隨著功能基因組學研究的不斷推進，大量基因的功能得到闡述，可透過基因組編輯技術對特定基因進行定點突變或修飾，從而產生預期的目標性狀。利用基因組編輯技術還可以實現對多個位點的定點修飾，快速形成多種性狀的疊加。此外，透過基因組編輯工具可以對數量性狀位點進行編輯。農作物的多種性狀受多個數量性狀遺傳位點 (QTLs) 的控制，這些QTLs對於性狀表型具有微效性作用，並且QTLs之間往往具有相互作用。對處於非編碼區或基因調控區的變異位點，很難透過其他手段進行研究，但透過基因組編輯工具可對QTLs進行編輯，特別是低重組區的QTLs的聚合。

目前生產中的主要農作物是從幾千年前的野生祖先種馴化而來，馴化的過程中獲得了預期的目標性狀，但同時也降低了物種的遺傳多樣性。為了改進栽培作物的性狀，往往需要從野生種中匯入一些優良等位基因，但透過雜交的方法很難獲得由多個基因控制的優良性狀；此外，還有可能存在生殖障礙。利用基因組編輯對野生種進行從頭馴化 (De novo domestication) 是一個非常有前景的育種策略【3】。傳統的雜交育種通常需要繁殖6-8代才能獲得高度純合穩定的品種，透過雙單倍體育種方法則大大地縮短了育種週期。利用基因組編輯工具對植物內源基因直接進行編輯可高效地獲得單倍體誘導系【4】。雜種優勢的利用對作物產量的提高作出了巨大貢獻，然而雜種優勢只在F1代表現，利用無融合生殖固定雜種優勢是一項重要的工作。透過基因組編輯技術對調控減數分裂的4個關鍵基因的敲除實現了水稻雜種優勢的固定【5】。植物基因組編輯技術還可以被用作定向進化和正向遺傳學篩選工具，從全基因組範圍對基因型和表型進行鑑定和篩選【6】（圖 3）。

圖3. 基於基因組編輯技術的作物改良新策略

文章最後對植物基因組編輯技術在解決未來農業生產問題所面臨的挑戰進行了討論。該文認為首先需要提高精準的基因組編輯效率，其次需要改善基因編輯的特異性，還需最佳化植物的遺傳轉化系統，更重要的是基於科學的分類監管也將有利於釋放基因組編輯在保障糧食安全上的巨大潛力。同時，該文對植物基因組編輯技術的發展進行了展望，在未來的植物合成生物學和植物微生物組工程的研究和發展中，基因組編輯技術將會發揮重要的作用。

綜上所述，該文系統全面地對植物基因組編輯技術進行介紹和總結，對基因組編輯技術在植物育種中的應用展開了詳細的闡述。植物基因組編輯技術的發展為育種創造了空前的機遇，利用基因組編輯工具進行高效而精確的定點突變為新一代育種和未來農業的發展開啟了一次新的革命。利用基因組編輯技術對作物性狀進行遺傳改良，提高作物產量、品質以及抗逆抗病性，對保障未來的糧食安全具有重大意義。

參考文獻

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[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.

文章連結：

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