在新時(shí)代對(duì)基因編輯作物商業(yè)化的展望與思考（上）中，筆者談及了基因編輯的基本概念及其在作物改良上相對(duì)于轉(zhuǎn)基因的優(yōu)勢(shì)。

      那么基因編輯在作物品種改良上能起到多大的作用，哪些性狀可以使用基因編輯技術(shù)進(jìn)行改良呢？

      雖然我國《農(nóng)業(yè)用基因編輯植物安全評(píng)價(jià)指南（試行）》剛發(fā)布，但作物基因編輯實(shí)驗(yàn)早已廣泛開展并獲得了豐碩的成果，其中的一些代表性成果分類和匯總?cè)缦隆?/p>

      一、作物抗逆性改良

      自從分子育種技術(shù)發(fā)展以來，抗逆性改良就一直是最快走向商業(yè)化應(yīng)用的方向。比如在分子標(biāo)記輔助選擇領(lǐng)域，效應(yīng)較大且不同遺傳背景下穩(wěn)定的分子標(biāo)記，大多數(shù)與植物抗逆性相關(guān)。

      其原因筆者認(rèn)為主要有兩點(diǎn)：

      第一，抗逆相關(guān)性狀需要在特定的環(huán)境條件下才能表現(xiàn)出來，因此在人類長(zhǎng)期以來對(duì)作物的馴化過程中，受到的選擇壓力較小。換句話說，就是依然保留在少數(shù)材料中的抗性位點(diǎn)相對(duì)比較容易發(fā)現(xiàn)。尤其是產(chǎn)量較低的地方種、祖先種及近緣物種，往往抗逆性較強(qiáng)，存在可以挖掘利用的抗性相關(guān)基因。

      第二，與株型、產(chǎn)量等性狀相比，某種針對(duì)性的抗性往往只牽扯到少數(shù)激素、代謝物或蛋白的合成，因此參與調(diào)控的基因較少，也就更容易找到效應(yīng)較大的主效基因或位點(diǎn)。

      理所當(dāng)然的，在基因編輯作物改良領(lǐng)域，抗逆性改良也出現(xiàn)了大量的成功案例。

      做玉米育種的同仁應(yīng)該了解，穗粒腐病是世界范圍內(nèi)的一種重要病害，在我國自東北到西南均發(fā)病嚴(yán)重。現(xiàn)在國家的玉米審定標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)穗粒腐病高感的品種實(shí)行一票否決制。然而高抗穗粒腐病的材料很少，在性狀的鑒定及改良上也存在巨大困難。2022年8月，謝傳曉團(tuán)隊(duì)發(fā)表在PBJ上的論文，證實(shí)他們通過基因編輯敲除玉米第三染色體上ZmFER1（小麥赤霉病抗性相關(guān)基因Fhb1的同源基因），從而提升了玉米對(duì)鐮孢菌穗腐病的抗性。與改造前的材料相比，野生型中伏馬毒素的含量下降到了千分之一以下。更為關(guān)鍵的是，改造后的材料在其他農(nóng)藝性狀上未發(fā)現(xiàn)顯著的差異（Liu et al., 2022）！

      在麥類作物上，康振生院士團(tuán)隊(duì)利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)敲除小麥TaCIPK14基因，使小麥產(chǎn)生了對(duì)5個(gè)條銹菌小種的廣譜抗性，同時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)顯著的農(nóng)藝性狀差異（He et al., 2023）。通過敲除PDIL5-1基因創(chuàng)造的大麥抗花葉病種質(zhì)，也被證明對(duì)植株的生長(zhǎng)和產(chǎn)量沒有影響（Hoffie et al., 2023）。2023年1月30日，PBJ上的另一篇研究論文，科學(xué)家利用基因組編輯方法創(chuàng)制番茄eIF4E1基因的非同義突變，賦予了番茄對(duì)多種病毒的抗性。

基因編輯敲除ZmFER1提高玉米對(duì)穗粒腐病的抗性（Liu et al., 2022）

      在非生物脅迫抗性改良方面，陜西省雜交油菜研究中心張彥鋒團(tuán)隊(duì)通過基因編輯靶向敲除核孔蛋白復(fù)合體外環(huán)結(jié)構(gòu)成員之一的BnHOS1，成功獲得了油菜抗寒新種質(zhì)（Song et al., 2022）。在抗蟲性改良方面，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)李培金團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)基因編輯突變RPX1基因后植物對(duì)小菜蛾的抗性提高，更為重要的是對(duì)rpx1的植物種子產(chǎn)量沒有顯著負(fù)面影響（Chen et al., 2022）。

      除了上述抗病、抗蟲、抗非生物脅迫的基因編輯改良案例外，還有大量基因編輯提升植物抗逆性的相關(guān)報(bào)道。尤其是在以往的研究中，已經(jīng)有大量負(fù)調(diào)控抗性的作物基因被克隆，這些基因都可以作為潛在基因編輯靶點(diǎn)用以創(chuàng)制抗性增強(qiáng)的植物品種。

      然而需要注意的是，在許多研究中并未檢測(cè)基因編輯對(duì)植物其他性狀是否發(fā)生顯著影響。鑒于許多抗性相關(guān)基因曾被報(bào)道會(huì)影響抗性及植物生長(zhǎng)的平衡關(guān)系，即便針對(duì)一些功能明確的抗性相關(guān)基因進(jìn)行基因編輯，仍需考慮大田驗(yàn)證來確保其對(duì)其他生產(chǎn)性狀不會(huì)造成大的影響。

      二、作物品質(zhì)改良

      20世紀(jì)之前，作物生產(chǎn)的主要需求都是解決糧食緊缺的問題，因此產(chǎn)量是育種家們最為關(guān)注的性狀。到了21世紀(jì)，我國居民的生活水平飛速提升，老百姓對(duì)于食物品質(zhì)的追求愈發(fā)受到關(guān)注。

      由于很多品質(zhì)性狀在過去很難通過肉眼進(jìn)行選擇，因此在這類性狀上具有較豐富的遺傳變異。隨著大量品質(zhì)相關(guān)基因的克隆，基因編輯在此方向的應(yīng)用日漸廣闊。

      在這之中，以油料作物的基因編輯改良探索最為廣泛。以油菜為例，提升胡蘿卜素、提升維生素E含量、降低葡萄糖苷含量、增加含油量、提升油酸含量、降低芥酸含量等品質(zhì)性狀的基因編輯案例近年來均有文章報(bào)道，且大部分已經(jīng)遞交了國家發(fā)明專利申請(qǐng)。在花生上，張新友院士也談到我國已利用基因編輯技術(shù)創(chuàng)制出高油酸的花生品種，其油酸含量可以超過75%。在大豆上，最近的一篇報(bào)道顯示，福建農(nóng)林大學(xué)/廣州大學(xué)關(guān)躍峰團(tuán)隊(duì)利用CRISPR/Cas9多基因編輯技術(shù)創(chuàng)制了幾乎不含低聚糖的大豆新種質(zhì)，進(jìn)而可以避免腸道微生物發(fā)酵造成脹氣，同時(shí)可以提高牲畜飼料的能量利用效率（Lin et al., 2023）。

      減少有害物質(zhì)的積累也是作物品質(zhì)改良的一個(gè)重要方向。木薯是非洲許多地區(qū)的主糧，然而鮮木薯中含有較高的生氰糖苷類物質(zhì)亞麻苦甙，生氰糖苷降解后產(chǎn)生的有毒氫氰酸會(huì)給食用人群造成風(fēng)險(xiǎn)。科學(xué)家通過基因編輯敲除木薯MeCYP79D1基因，獲得了氰化物含量降低的基因編輯木薯材料，其株系中的亞麻苦甙和氰化物含量降低了7倍多（Juma et al., 2022）。

      在主糧作物上，關(guān)于糯性及甜性相關(guān)的主要基因早已被克隆，與之相應(yīng)的通過基因編輯快速改良相關(guān)性狀的專利早已被大量申請(qǐng)。此外，提高類胡蘿卜素含量、降低醇溶蛋白含量等方面，基因編輯也已經(jīng)獲得了成功。一項(xiàng)有趣的研究是，科學(xué)家根據(jù)香稻香氣來源物質(zhì)2‐acetyl‐1‐pyrroline的積累原理，利用基因編輯技術(shù)創(chuàng)造了帶有香味的玉米和高粱品種（Wang et al., 2021）。最近，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所張翠軍團(tuán)隊(duì)通過CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，成功將白粒小麥轉(zhuǎn)化為富含花青素的紅粒小麥，并提高了小麥的抗穗發(fā)芽能力（Zhu et al., 2022）。

基因編輯創(chuàng)制的紅粒小麥穗發(fā)芽能力提升（Zhu et al., 2022）

      三、產(chǎn)量及株型改良

      相較于抗逆性及品質(zhì)性狀來說，主要糧食作物可以發(fā)掘的新增產(chǎn)基因較少，這主要是由于大多數(shù)主效的產(chǎn)量相關(guān)基因已經(jīng)在數(shù)千年的育種進(jìn)程中受到了選擇。

      令人欣喜的是，在此基礎(chǔ)上仍然有一些通過基因編輯增加作物產(chǎn)量的報(bào)道。

      其中，最令人矚目的是中國農(nóng)業(yè)大學(xué)楊小紅團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)表的文章。他們發(fā)現(xiàn)玉米和水稻的數(shù)量性狀位點(diǎn)KRN2經(jīng)歷了趨同選擇，且負(fù)調(diào)控兩種作物的粒數(shù)。通過基因編輯在玉米和水稻中敲除KRN2，籽粒產(chǎn)量分別提高了10%和8%，而其他農(nóng)藝性狀無明顯損失（Chen et al., 2022）。就玉米而言，與對(duì)照相比產(chǎn)量提升5%就可以達(dá)到新品種審定的標(biāo)準(zhǔn)，10%的產(chǎn)量提升意義可見一斑。

      在另一種主糧小麥上，美國南達(dá)科他州立大學(xué)通過基因編輯改變TaSPL13基因末端的microRNA156識(shí)別元件，從而令小麥開花提前、分蘗數(shù)和株高減少、粒寬和粒數(shù)增加。一個(gè)基因的編輯同時(shí)造成了多個(gè)產(chǎn)量和株型性狀的改善，揭示了TaSPL13基因在提高小麥產(chǎn)量方面具有巨大的潛力（Gupta et al., 2022）。

基因編輯TaSPL13基因可以提高小麥產(chǎn)量（Gupta et al., 2022）

      在株型方面，20世紀(jì)第一次綠色革命后人們開始認(rèn)識(shí)到作物矮化在生產(chǎn)上的巨大優(yōu)勢(shì)，各類相關(guān)基因也逐漸被發(fā)掘和利用，至今仍有一些矮化基因和株型緊湊基因在不斷克隆和報(bào)道。2022年12月，來自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所、深圳農(nóng)業(yè)基因組所、西北農(nóng)林科技大學(xué)、北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究所等4家單位合作，在一個(gè)南瓜稀有矮化變異基因的基礎(chǔ)上，通過基因編輯技術(shù)針對(duì)性地在其他多種瓜類作物中進(jìn)行基因變異，創(chuàng)造出原本自然界不存在的緊湊株型材料，大大提高了葫蘆科瓜類作物的生產(chǎn)效率，顯著節(jié)省了勞動(dòng)力（Wang et al., 2022）。

基因編輯創(chuàng)制株型緊湊葫蘆科植物（Wang et al., 2022）

      其他關(guān)于產(chǎn)量和株型基因編輯的報(bào)道還有一些，但由于大多數(shù)產(chǎn)量及株型相關(guān)性狀都是微效多基因控制的數(shù)量性狀，效應(yīng)較大的主效基因較少。且在馴化時(shí)間較長(zhǎng)的主要作物上，大多數(shù)主效位點(diǎn)的有利變異已經(jīng)被我們的祖先選擇利用。因此，大多數(shù)克隆的產(chǎn)量及株型相關(guān)基因?qū)Ρ硇偷淖儺愗暙I(xiàn)率都相對(duì)較小。

      那么，利用雜種優(yōu)勢(shì)且遺傳轉(zhuǎn)化受基因型限制的作物（如玉米），需要特別注意。如果待改良的品種不能夠直接進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化，需要回交導(dǎo)入基因編輯創(chuàng)造的基因型的話，此時(shí)引入小效應(yīng)的增產(chǎn)基因型的作用可能無法抵消回交導(dǎo)致的雜種優(yōu)勢(shì)下降。

      因此，利用基因編輯進(jìn)行主要作物的產(chǎn)量改良，需要有更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)設(shè)計(jì)和接受非預(yù)期結(jié)果的心理準(zhǔn)備。

      四、特殊性狀的創(chuàng)造

      與產(chǎn)量性狀不同，許多非植物生活必需的特殊性狀，往往本身就是基因異常突變產(chǎn)生的。對(duì)這類性狀，基因編輯可以對(duì)目標(biāo)作物進(jìn)行快速的改造。

      在已經(jīng)成功的大量例子中，比較常見的包括：雄性不育系創(chuàng)制、除草劑抗性創(chuàng)制、單倍體誘導(dǎo)系創(chuàng)制、解除遺傳轉(zhuǎn)化的基因型限制，以及其他一些新的用途。

      通過基因編輯創(chuàng)造雄性不育系的報(bào)道和專利很多，然而往往沒有對(duì)應(yīng)的保持系創(chuàng)制手段，因此實(shí)際使用具有一定的難度，在這里筆者不展開討論。

      對(duì)于其他幾個(gè)方面，會(huì)依次進(jìn)行舉例說明。

      作物除草劑抗性的產(chǎn)生常歸于三種機(jī)理：1）除草劑靶標(biāo)蛋白的高表達(dá)彌補(bǔ)了除草劑的傷害；2）除草劑靶標(biāo)蛋白發(fā)生變異從而降低了與除草劑的結(jié)合能力；3）通過特定途徑快速對(duì)除草劑進(jìn)行降解?，F(xiàn)有的抗除草劑轉(zhuǎn)基因品種，就是通過轉(zhuǎn)入細(xì)菌的關(guān)鍵酶降解除草劑，即第三種抗除草劑機(jī)理。而利用基因編輯創(chuàng)制抗除草劑基因，往往是利用第二種機(jī)理，即通過基因編輯使除草劑的靶蛋白產(chǎn)生變異，在保持其生物功能的基礎(chǔ)上降低其與除草劑的結(jié)合能力。

      通過這種原理，我國科學(xué)家在水稻、小麥、大豆、花生、油菜、西瓜等多種作物上成功創(chuàng)造出了針對(duì)不同除草劑的抗性基因。最近，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所與農(nóng)業(yè)基因組研究所合作，對(duì)水稻內(nèi)源基因OsGS1進(jìn)行堿基編輯，獲得了3種抗廣譜除草劑草銨膦的等位基因。載藥平板萌發(fā)和草銨膦（田間推薦劑量）噴施試驗(yàn)結(jié)果均證實(shí)，攜帶這些等位基因的水稻具有抗草銨膦的能力（Ren et al., 2022）。

利用基因編輯創(chuàng)制抗除草劑水稻（Ren et al., 2022）

      單倍體誘導(dǎo)系因?yàn)榭梢杂脕砜焖賱?chuàng)制純合株系，所以在育種上具有非常重要的價(jià)值。目前最成熟的商用單倍體誘導(dǎo)技術(shù)來自于玉米Stork6衍生系，可以通過給目標(biāo)材料授粉誘導(dǎo)產(chǎn)生母本單倍體?，F(xiàn)在的研究表明其誘導(dǎo)能力主要來自于ZmPLA1（MTL/NLD）基因的突變，同時(shí)ZmDMP基因的突變也在誘導(dǎo)率的提升上具有一定的貢獻(xiàn)。近些年的研究發(fā)現(xiàn)，基因ZmPLD3突變可以產(chǎn)生或提升玉米的單倍體誘導(dǎo)能力。這3個(gè)基因的突變都已經(jīng)被證實(shí)可以通過基因編輯簡(jiǎn)單的敲除來創(chuàng)制，且可以推廣到其他單子葉植物。去年11月，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所葉興國團(tuán)隊(duì)通過基因編輯HvMTL基因，創(chuàng)制了大麥單倍體誘導(dǎo)系，并且達(dá)到了10%-12%的誘導(dǎo)率（Tang et al., 2022）。

      在雙子葉植物上，未發(fā)現(xiàn)ZmPLA1介導(dǎo)的單倍體誘導(dǎo)機(jī)制。但是編輯改造著絲粒組蛋白酶3（CENH3），可以創(chuàng)造出父本或母本的單倍體誘導(dǎo)系。

      許多植物的愈傷組織再生能力過低，限制了它們遺傳改良的進(jìn)程。為了克服基因型對(duì)遺傳轉(zhuǎn)化的限制，科學(xué)家們做了許多的工作。最近的研究顯示，利用基因編輯技術(shù)突變蘋果MdSPL6基因，可以顯著提高其不定芽的再生效率，為在蘋果和其他薔薇科果樹中創(chuàng)制高再生種質(zhì)揭示了一種新的可行方案（Li et al., 2022）。

      近期，能夠讓作物種子始終保持雜種優(yōu)勢(shì)的作物無融合生殖技術(shù)，也依靠基因編輯取得了重大突破。Nature Communications上的一篇文章顯示，將CRISPR/Cas9介導(dǎo)的MiMe失活系統(tǒng)和孤雌生殖誘導(dǎo)系統(tǒng)一次性構(gòu)建到同一個(gè)T-DNA上，在卵特異性啟動(dòng)子的作用下，可以在水稻的F?雜種中實(shí)現(xiàn)高效無融合生殖，二倍體比率大大提高（90%以上），且無融合生殖植物在連續(xù)世代中保持F?雜種的表型。盡管該技術(shù)由于各種原因距離商業(yè)應(yīng)用尚早，但這也顯示出了基因編輯技術(shù)用來開發(fā)功能性作物種質(zhì)資源的巨大潛力（Vernet et al., 2022）。

基因編輯創(chuàng)制無融合生殖水稻（Vernet et al., 2022）

      本次分享的內(nèi)容較多，感謝耐心看到這里的各位同仁。

      按照一開始我們提出的問題，下一期的文章將對(duì)基因編輯品種創(chuàng)制的方法、流程及需要消耗的金錢及時(shí)間成本進(jìn)行分享和討論。敬請(qǐng)關(guān)注下期文章《新時(shí)代對(duì)基因編輯作物商業(yè)化的展望與思考（下）》。

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