在战争、疫情等不可抗力因素之外，全球城市化率和人口增长的提高、粮食生产与消费比例的大幅下降、全球气候变化可能引起的非生物胁迫、植物全球流行病的潜在威胁等因素也在影响着农作物的产量和质量。一万年来，科学家和育种学家们一直致力于开发和改良农作物。目前，用100年前相同数量的土地可以供养之前10倍多的人口。育种对农作物产量的定向进化，以及确保粮食供应和安全方面都发挥了至关重要的作用。

农作物育种的发展

早期作物驯化基于表型筛选，分子机理未明。19世纪孟德尔定律揭示基因控制性状，推动杂交育种兴起，结合优良性状。随后，杂交、诱变、转基因技术引领现代定向育种。分子生物学与测序技术革新，引领作物育种进入分子时代，NGS技术积累大数据，促进基因功能研究。高密度分子标记助力农艺性状关联分析，指导分子育种。多组学技术深化作物发育理解。CRISPR/Cas基因编辑技术突破，实现精准基因调控，提升作物产量、质量及抗逆性，且操作简便高效，开启精准分子育种新纪元。

 Int J Mol Sci. 2020 Apr; 21(7): 2590

CRISPR/Cas基因编辑

与农作物育种

CRISPR/Cas基因编辑具有许多潜在的应用，如基因敲除、敲入、基因突变、碱基编辑以及CRISPR/Cas介导的基因调控和表观基因组编辑。

CRISPR/CAS基因组编辑在基因功能研究中的应用【1】

基因敲除是CRISPR/Cas基因编辑系统的主要应用之一，已广泛用于多种植物物种中单个基因的敲除。其优势在于基因编辑的特异性，快速而精确地沉默单个基因，而没有其他副作用。这项技术对于研究基因功能或消除由特定基因控制的一些不良性状非常有用。

基因敲入或替换利用CRISPR/Cas9技术切割DNA后，通过同源重组将外源基因定点插入基因组。尽管长序列插入在植物中仍具挑战，但研究者正探索提高效率的方法。哈佛大学的prime编辑技术（2019年）利用nCas9与逆转录酶融合，结合pegRNA，实现基因修复与替换，已成功应用于水稻、小麦等多种农作物。同时，CRISPR/Cas碱基编辑技术也迅速发展，通过nCas9或dCas9在gRNA的帮助下结合特定DNA序列，融合碱基转换酶（如胞苷脱氨酶（CD）将C转T，腺嘌呤脱氨酶（AD）将A转G）以修复点突变，特别是CD介导的编辑在小麦、玉米等作物中研究深入。

CRISPR/Cas基因编辑

在农作物改良中的应用

CRISPR/Cas基因编辑已成为成熟的尖端生物技术改良工具，应用于作物的各种性状改良，包括病原体抗性、非生物耐受性、植物发育和形态、次级代谢等。同时，CRISPR/Cas基因编辑还被用于研究农作物驯化，赋予特定农作物的某些独特性状。

CRISPR/CAS基因组编辑在作物改良中的应用【1】

a.提高作物产量

提高作物产量是由多个基因和基因调控网络所控制的，CRISPR/Cas基因编辑正在成为一种提高作物产量的精准育种新方法。通过敲除水稻中的负调节因子，如gn1a、dep1、gs3等，增强了粒级、粒重、粒数、致密和直立的圆锥花序等产量相关性状。此外，通过编辑与谷物重量相关的gw2、gw5和tgw6调控因子，突变体表现出谷物重量和大小的显著增加；而敲除vin2基因，突变体会表现出种子大小和粒重的减小。

b.改善植物生长发育

CRISPR/Cas基因编辑系统已成为研究植物生长发育功能、改善植物形态以及促进植物生长发育的重要工具。研究人员采用CRISPR/Cas9基因编辑系统证明了MADS转录因子基因MADS78和MADS79在水稻胚乳细胞化和早期种子发育中的基本调控功能。同时，由CRISPR/Cas9编辑的水稻己糖激酶hxk5基因突变体会导致水稻雄性不育。

c. 改善次生代谢和作物质量

CRISPR/Cas基因编辑技术被用于探索改变植物次级代谢以提高作物质量的可能性。例如，通过对α-麦醇溶蛋白基因进行编辑，研究人员获得了低筋无转基因的小麦，d-hordein基因敲除优化大麦蛋白基质。此外，利用CRISPR/Cas基因编辑技术成功敲除淀粉分支酶（SBE）基因SBEIIb，并生成了具有高直链淀粉含量的基因组编辑水稻，其中直链淀粉含量高达25%，长链比例更高。

d.增强作物抗病抗虫能力

CRISPR/Cas9基因编辑技术已被迅速应用于增强农作物对真菌、病毒和细菌所引起疾病的抵抗力。例如，通过敲除六倍体面包小麦中的MLO基因，赋予小麦对白粉病的抗性；通过敲除水稻中的Os8n3基因，测试发现编辑后的水稻表现出对黄单胞菌感染具有显著的抵抗力。

e.提高非生物胁迫的耐受性

随着全球气候的变化，非生物胁迫对农作物生长发育的影响越来越严重。采用CRISPR/Cas9基因编辑技术提高对非生物胁迫的耐受性主要体现在对非编码基因的调控。例如，在玉米中，通过编辑玉米体内与乙烯反应相关的负调节因子AGROS8，可增强玉米对干旱的耐受性；CRISPR/Cas编辑产生的G蛋白基因gs3和dep1突变体，增强了水稻对盐胁迫的耐受性；ppa6基因的敲除增强了水稻对碱性胁迫的耐受性等。

泓迅生物

DNA“读”“写”“编”一站式解决方案

泓迅生物自2013年成立以来，结合分子生物学、生物信息学、人工智能与机器学习技术，构建了全球领先的“读”、“写”、“编”一站式平台。公司拥有近十年的农作物全基因组CRISPR sgRNA设计与文库合成经验，覆盖水稻、小麦、玉米等十余种作物，帮助客户获取关键基因信息，加速遗传多样性研究和缩短育种周期。我们将利用高效合成生物学平台和先进生物设计及AI预测，为基因编辑在农作物育种的研究和商业化提供专业服务，并致力于建立中国最强的育种库。

 泓迅生物CRISPR sgRNA设计案例汇总

参考文献：

[1] Zhang D, Zhang Z, Unver T, Zhang B. CRISPR/Cas: A powerful tool for gene function study and crop improvement. J Adv Res. 2020;29:207-221. Published 2020 Oct 21.

[2] Ahmar S, Gill RA, Jung KH, et al. Conventional and Molecular Techniques from Simple Breeding to Speed Breeding in Crop Plants: Recent Advances and Future Outlook. Int J Mol Sci. 2020;21(7):2590. Published 2020 Apr 8.

[3] 全球粮食危机要来！？多国发出警告，欧美已在行动…国内饲料库存紧张连续5次提价，新浪财经，2022年03月30日