全球作物基因組編輯技術(shù)研發(fā)態(tài)勢(shì)及最新研究進(jìn)展

趙靜娟， 張曉靜， 李凌云， 楊進(jìn)孝

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院數(shù)據(jù)科學(xué)與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100097；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究所，北京 100097)

作為全球最矚目的革命性生物技術(shù)，基因組編輯技術(shù)具備穩(wěn)定、高效、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)展迅速，已成為生物技術(shù)領(lǐng)域世界各國(guó)積極布局和激烈角逐的競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。近年來(lái)，基因組編輯技術(shù)的研究熱度居高不下，眾多學(xué)者針對(duì)基因組編輯技術(shù)的相關(guān)研究進(jìn)展及其在作物育種中的應(yīng)用情況進(jìn)行了一系列的研究報(bào)道，廖嘉明等報(bào)道了CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)的發(fā)展及其在植物中的應(yīng)用。亦有學(xué)者從文獻(xiàn)計(jì)量的角度出發(fā)開展基因編輯發(fā)展態(tài)勢(shì)分析的研究，李東巧等利用定性調(diào)研和文獻(xiàn)定量分析的方法，對(duì)作物基因組編輯技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀、重要國(guó)家、重要機(jī)構(gòu)和研究主題進(jìn)行分析。鐘華等通過(guò)分析基因編輯技術(shù)相關(guān)專利文獻(xiàn)，揭示全球基因編輯技術(shù)專利布局與人才現(xiàn)狀，分析了基因編輯技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。鑒于基因組編輯技術(shù)發(fā)展迅速，每年都有大量新成果出現(xiàn)，緊跟最新發(fā)展態(tài)勢(shì)，結(jié)合專家研讀，篩選總結(jié)最新研究進(jìn)展，能夠幫助科研人員及時(shí)跟蹤最新研究動(dòng)態(tài)，同時(shí)為我國(guó)在該領(lǐng)域的研發(fā)布局和決策提供參考。

本文通過(guò)文獻(xiàn)檢索獲取2012—2021年發(fā)表的作物基因組編輯技術(shù)相關(guān)論文，開展該領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢(shì)分析，再以突破性、行業(yè)價(jià)值、應(yīng)用范圍等為標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)情報(bào)專家篩選和領(lǐng)域?qū)＜遗凶x，遴選出全球作物基因組編輯技術(shù)研究具有代表性的成果，形成作物基因組編輯技術(shù)最新研究進(jìn)展。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究的論文數(shù)據(jù)來(lái)自科睿唯安的科學(xué)引文索引數(shù)據(jù)庫(kù)(Science Citation Index Expanded，SCIE)，通過(guò)基因組編輯技術(shù)關(guān)鍵詞+作物的檢索策略在數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)相關(guān)研究論文進(jìn)行檢索，共獲得2012—2021年的研究論文3 186篇，發(fā)表于2021年的有788篇。其中，作物包括水稻、小麥、大豆、棉花、玉米、馬鈴薯等，篩選的文獻(xiàn)類型包括article和review，數(shù)據(jù)獲取日期截至2022年3月10日。

1.2 分析方法

(1)統(tǒng)計(jì)計(jì)量。數(shù)據(jù)下載后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入DDA分析工具中進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，再利用Excel等工具進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)和圖表繪制。(2)研究熱點(diǎn)分析。運(yùn)用CiteSpace基于論文的關(guān)鍵詞進(jìn)行主題聚類分析，探索作物基因組編輯技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)主題及其發(fā)展趨勢(shì)。(3)核心文獻(xiàn)遴選。經(jīng)專家逐篇判讀，遴選出該領(lǐng)域最具代表性和突出進(jìn)展的最新文獻(xiàn)進(jìn)行歸納總結(jié)。

2 作物基因組編輯技術(shù)研發(fā)態(tài)勢(shì)分析

2.1 發(fā)文數(shù)量年度變化趨勢(shì)

近10年(2012—2021年)，作物基因組編輯技術(shù)發(fā)展迅速，該領(lǐng)域發(fā)文年度變化趨勢(shì)如圖1所示。2012—2014年間仍為緩慢發(fā)展階段，在此期間，作物基因組編輯技術(shù)相關(guān)研究的發(fā)文量緩慢增長(zhǎng)；2015年至今為技術(shù)快速發(fā)展階段。在此階段，作物基因組編輯技術(shù)發(fā)展迅猛，其發(fā)文量呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。2021年的發(fā)文量比2015年的發(fā)文量增長(zhǎng)了10多倍，以年均50%的增長(zhǎng)率，保持著強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭。反映了作物基因組編輯技術(shù)仍處于研究高峰，是目前該領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)。

2.2 重點(diǎn)國(guó)家分析

從各國(guó)發(fā)文數(shù)量和趨勢(shì)(圖2)來(lái)看，早期以美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家在該領(lǐng)域具有較強(qiáng)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，且美國(guó)長(zhǎng)期保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，位列世界第一。盡管我國(guó)在該領(lǐng)域研究起步較晚，但2014年起我國(guó)進(jìn)入快速發(fā)展階段，發(fā)文量逐漸超越德國(guó)、法國(guó)、日本等除美國(guó)外的其他發(fā)達(dá)國(guó)家，位列世界第二，且發(fā)展迅速。2017年，中國(guó)在該領(lǐng)域的研究論文首次超過(guò)美國(guó)，成為該領(lǐng)域年度發(fā)文最多的國(guó)家，并與其逐年拉開差距，形成絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。日本、德國(guó)分別于1997年、1998年開始相關(guān)研究，但是后續(xù)研究發(fā)文量增長(zhǎng)緩慢。印度2013年起開始進(jìn)入該研究領(lǐng)域，目前呈較快的增長(zhǎng)速度，位列世界第三。

從國(guó)家合作關(guān)系圖(圖3、圖4)來(lái)看，前20位(TOP20)國(guó)家之間的合作以中國(guó)、美國(guó)為中心，形成2個(gè)合作圈。其中，中國(guó)與美國(guó)、澳大利亞、巴基斯坦、沙特阿拉伯和土耳其合作較為緊密。美國(guó)的合作網(wǎng)絡(luò)范圍更大，主要與中國(guó)、印度、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、加拿大、巴西等國(guó)合作較為緊密。此外，法國(guó)、意大利、新西蘭、西班牙和英國(guó)等歐洲國(guó)家之間建立了較為緊密的合作關(guān)系。中國(guó)和美國(guó)之間的合作是最為頻繁的，雙方合作發(fā)文達(dá)234篇。

2.3 主要機(jī)構(gòu)分析

從發(fā)文量排名TOP20的機(jī)構(gòu)(圖5)來(lái)看，作物基因組編輯技術(shù)的基礎(chǔ)研究主要以科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)為主。其中，中國(guó)科學(xué)院(223篇)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院(208篇)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)(131篇)的發(fā)文數(shù)量居全球前3位；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)(128篇)排第4位；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)(76篇)排第5位，中國(guó)研究機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域的研究論文占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，前10位(TOP10)機(jī)構(gòu)中占7席。其他3席均為美國(guó)的高校。

從機(jī)構(gòu)合作關(guān)系(圖6)上來(lái)看，TOP10機(jī)構(gòu)之間以各國(guó)機(jī)構(gòu)間合作為主，中國(guó)科學(xué)院與中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)之間合作較為緊密；美國(guó)的愛荷華州立大學(xué)、明尼蘇達(dá)大學(xué)和佛羅里達(dá)大學(xué)之間的合作關(guān)系也較為密切，主要涉及遺傳轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)錄激活因子、定向誘變和CRISPR-Cpf1系統(tǒng)等內(nèi)容。此外，中國(guó)國(guó)家水稻研究所與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)之間也存在合作關(guān)系。

2.4 研究熱點(diǎn)分析

本文運(yùn)用CiteSpace對(duì)2012—2021年的研究論文進(jìn)行了基于關(guān)鍵詞的主題聚類分析，根據(jù)聚類結(jié)果進(jìn)行總結(jié)歸納，該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)(圖7)主要集中在以下3個(gè)方面。(1)基因組編輯技術(shù)開發(fā)和優(yōu)化，包括引導(dǎo)編輯、堿基編輯、表觀基因組編輯、細(xì)胞器基因組編輯、T-DNA free的基因組編輯等技術(shù)優(yōu)化和新功能開發(fā)的研究，為基因組編輯技術(shù)的應(yīng)用提供了更多選擇。(2)基因組編輯技術(shù)在新種質(zhì)創(chuàng)制和新品種培育中的應(yīng)用，包括作物從頭再馴化、利用飽和突變技術(shù)創(chuàng)制新種質(zhì)、利用精確編輯技術(shù)創(chuàng)制新種質(zhì)、利用常規(guī)基因組編輯技術(shù)創(chuàng)制新種質(zhì)等研發(fā)工作的新進(jìn)展，其中，近幾年基因組編輯技術(shù)在水稻育種中的應(yīng)用熱度較高，種質(zhì)發(fā)掘、創(chuàng)制和育種的主要方向集中在病害抗性(抗病、抗除草劑)和非生物脅迫抗性(耐鹽、抗旱)等方面，為應(yīng)對(duì)氣候變化，解決糧食安全問(wèn)題提供支撐。(3)基因組編輯技術(shù)監(jiān)管方面的研究。隨著新技術(shù)及其成果在育種中的應(yīng)用，世界各國(guó)均面臨著新育種技術(shù)如何監(jiān)管等問(wèn)題，該方面的研究熱度不斷攀升，也成為科研人員和政府部門關(guān)注的熱點(diǎn)。

作物基因組編輯技術(shù)熱點(diǎn)分布圖中出現(xiàn)的聚類主題名稱、強(qiáng)度及其熱點(diǎn)主題詞分布情況見表1。

表1 主題聚類及主題詞分布

3 最新研究進(jìn)展

本研究在進(jìn)一步限定刊載在《Nature》《Science》《Cell》《Nature Biotechnology》《Nature Genetics》等權(quán)威期刊上的基因組編輯技術(shù)最新相關(guān)研究論文的基礎(chǔ)上， 再以突破性、行業(yè)價(jià)值、應(yīng)用范圍等為標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)情報(bào)專家篩選和領(lǐng)域?qū)＜遗凶x，遴選出全球作物基因組編輯技術(shù)三大研究方向中的最新研究成果，逐篇解讀，總結(jié)最新研究進(jìn)展。

3.1 基因組編輯技術(shù)開發(fā)和優(yōu)化

3.1.1 引導(dǎo)編輯技術(shù)優(yōu)化 引導(dǎo)編輯(PE)技術(shù)無(wú)需額外的DNA模板便可有效實(shí)現(xiàn)所有12種單堿基的自由轉(zhuǎn)換，且能有效實(shí)現(xiàn)多堿基的精準(zhǔn)插入與刪除，這一近乎全能的工具為基因編輯領(lǐng)域帶來(lái)重大變革。PE自2019年問(wèn)世以來(lái)，由于操作簡(jiǎn)便、靈活性高和編輯精準(zhǔn)等特點(diǎn)，得到廣泛關(guān)注，但該技術(shù)仍存在效率較低的問(wèn)題。2021年，國(guó)內(nèi)外前沿實(shí)驗(yàn)室利用細(xì)胞增效因子篩選、小向?qū)NA(sgRNA)模板設(shè)計(jì)、多策略協(xié)同效應(yīng)等方法，進(jìn)一步提升PE的效率，并拓展PE在大片段基因刪除和替換中的應(yīng)用。美國(guó)哈佛大學(xué)劉如謙實(shí)驗(yàn)室與普林斯頓大學(xué)Adamso實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)的PE升級(jí)版本PE4/PE4max及PE5/PE5max為疾病的基因治療提供了更強(qiáng)大的工具。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所高彩霞研究組與李家洋研究組合作研發(fā)了高效設(shè)計(jì)引導(dǎo)編輯向?qū)NA(pegRNA)以及提高植物PE效率的新策略。北京市農(nóng)林科學(xué)院楊進(jìn)孝、趙久然團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京大學(xué)等單位，發(fā)現(xiàn)多種PE增效新策略及協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)玉米和水稻PE效率平均提高3倍，在多個(gè)低效靶點(diǎn)上甚至提高10倍以上，并在人細(xì)胞中進(jìn)行驗(yàn)證。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心伊成器教授課題組開發(fā)出人源細(xì)胞中基于雙pegRNA的高效PE新策略。馬薩諸塞大學(xué)的薛文教授課題組和華盛頓大學(xué)西雅圖分校Shendure實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出新一代基因組編輯器，能夠糾正目前較難實(shí)現(xiàn)的大片段基因組刪除突變。美國(guó)哈佛大學(xué)劉如謙實(shí)驗(yàn)室對(duì)PE的應(yīng)用做了進(jìn)一步的拓展，通過(guò)改造PE技術(shù)，成功拓展了其應(yīng)用場(chǎng)景。

3.1.2 堿基編輯技術(shù)新突破 單堿基突變占據(jù)人類已知致病基因突變的50%以上，在作物優(yōu)異等位基因的形成中也起著關(guān)鍵作用。堿基編輯器是由可編程DNA結(jié)合蛋白與堿基修飾酶融合，在不導(dǎo)致DNA雙鏈斷裂的情況下，實(shí)現(xiàn)精確修改基因組中的單個(gè)堿基。目前比較成功的主要有2種堿基編輯器：胞嘧啶堿基編輯器，能夠?qū)·G轉(zhuǎn)換為T·A；以及腺嘌呤堿基編輯器，能夠?qū)·T轉(zhuǎn)換為 G·C。然而，對(duì)于C·G到G·C的堿基顛換突變，尚不能實(shí)現(xiàn)。美國(guó)哈佛大學(xué)劉如謙等研究人員結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)模型，開發(fā)出工程化C·G到G·C堿基編輯器(CGBEs)，首次實(shí)現(xiàn)高效的C·G到G·C堿基編輯。

3.1.3 表觀基因組編輯技術(shù)新進(jìn)展 表觀基因組編輯技術(shù)研究伴隨著CRISPR/Cas9編輯技術(shù)的面世而出現(xiàn)，作為基因組編輯技術(shù)發(fā)展的一個(gè)分支，主要用于基因組位點(diǎn)的表觀遺傳學(xué)定向修飾，該技術(shù)成果在植物育種領(lǐng)域的應(yīng)用值得關(guān)注。美國(guó)加州大學(xué)分子、細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)學(xué)系的研究人員開發(fā)出一個(gè)基于細(xì)菌甲基轉(zhuǎn)移酶和CRISPR/Cas9平臺(tái)的靶向DNA甲基化工具，可直接甲基化擬南芥中C·G位點(diǎn)的胞嘧啶。

3.1.4 細(xì)胞器基因組編輯技術(shù)新進(jìn)展 細(xì)胞器基因組是生物體基因組的重要組成部分。由于外部RNA不能進(jìn)入細(xì)胞器，細(xì)胞器基因組編輯技術(shù)使用的技術(shù)原理與常用的CRISPR/Cas9并不相同，因此在這一領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破還存在困難。以下研究是植物細(xì)胞器基因組編輯的新突破，開辟了植物基因組編輯技術(shù)應(yīng)用的新戰(zhàn)場(chǎng)。韓國(guó)大田基礎(chǔ)科學(xué)研究所基因組工程中心開發(fā)出一個(gè)由16個(gè)表達(dá)質(zhì)粒和424個(gè)轉(zhuǎn)錄激活子樣效應(yīng)子陣列質(zhì)粒組成的Golden Gate克隆系統(tǒng)。日本東京大學(xué)植物分子遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一種技術(shù)，可對(duì)植物葉綠體的DNA進(jìn)行點(diǎn)位突變，但不留下任何遺傳工程技術(shù)痕跡。美國(guó)密蘇里大學(xué)邦德生命科學(xué)中心開發(fā)出一種高效的水稻葉綠體胞嘧啶堿基編輯系統(tǒng)。

3.1.5 T-DNA free的基因組編輯技術(shù)新進(jìn)展 利用核糖核蛋白(RNP)實(shí)現(xiàn)非轉(zhuǎn)基因的基因組編輯技術(shù)多見報(bào)道，但效率較低，且僅限于敲除編輯，因此仍需優(yōu)化改進(jìn)，同時(shí)利用轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)實(shí)現(xiàn)自我切除是一條有潛力的替代路徑。以下研究解決了基因組編輯載體即T-DNA實(shí)現(xiàn)基因組編輯后的自消除問(wèn)題，為多年生或不能自交分離實(shí)現(xiàn)T-DNA free的植物實(shí)現(xiàn)非轉(zhuǎn)基因的基因組編輯提供了可能。美國(guó)馬薩諸塞州總醫(yī)院分子病理科和癌癥研究中心用純化的核糖核蛋白復(fù)合物進(jìn)行引導(dǎo)編輯。日本筑波國(guó)家農(nóng)業(yè)與食品研究組織農(nóng)業(yè)生物科學(xué)研究所開發(fā)出介導(dǎo)的轉(zhuǎn)基因系統(tǒng)，用于CRISPR/Cas9在植物中的暫時(shí)表達(dá)。

3.2 基因組編輯技術(shù)在新種質(zhì)創(chuàng)制和新品種培育中的應(yīng)用

3.2.1 作物從頭再馴化工作新進(jìn)展 利用基因組編輯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水稻從頭再馴化，這一技術(shù)概念大膽新穎，具有一定開創(chuàng)性，是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的比肩國(guó)際前沿的一項(xiàng)成果。開辟了一條育種新路徑。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外多家單位成功實(shí)現(xiàn)異源四倍體高稈野生稻的從頭定向馴化。

3.2.2 利用飽和突變技術(shù)創(chuàng)制新種質(zhì)新進(jìn)展 飽和突變又叫點(diǎn)飽和突變，是使誘導(dǎo)的點(diǎn)突變?cè)谀康幕蛏媳M可能稠密地分布以致接近飽和狀態(tài)的一種離體非定點(diǎn)的突變，目的是為了篩選出其中的優(yōu)異等位基因形式。飽和突變的技術(shù)概念在人細(xì)胞中已經(jīng)廣泛開展，但在植物中的研究還很少，尤其是在玉米等大宗作物上尚無(wú)應(yīng)用。美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室Jackson研究組利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)對(duì)玉米基因啟動(dòng)子進(jìn)行編輯，創(chuàng)制玉米高產(chǎn)等位基因，是首次利用啟動(dòng)子區(qū)飽和突變實(shí)現(xiàn)優(yōu)異等位基因創(chuàng)制，應(yīng)用于玉米產(chǎn)量提升的研究。

3.2.3 利用精確編輯技術(shù)創(chuàng)制新種質(zhì)新進(jìn)展 利用精確編輯(同源重組或引導(dǎo)編輯)進(jìn)行抗病或耐除草劑的新種質(zhì)創(chuàng)制，是編輯技術(shù)的深度應(yīng)用成果，同時(shí)也是精確編輯技術(shù)在育種領(lǐng)域不可忽視的應(yīng)用進(jìn)展。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所利用廣譜抗性基因的序列為模板，通過(guò)CRISPR/Cas9介導(dǎo)的同源替換，成功將感病水稻品種日本晴(Nipponbare)轉(zhuǎn)化為抗病品系。安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所魏鵬程團(tuán)隊(duì)利用引導(dǎo)編輯工具升級(jí)飽和突變方法，為關(guān)鍵位點(diǎn)功能挖掘和重要基因充分進(jìn)化提供新的技術(shù)思路。

3.2.4 利用常規(guī)基因組編輯技術(shù)創(chuàng)制新種質(zhì)新進(jìn)展 隨著基因組編輯技術(shù)的成熟，該技術(shù)在更多大田作物、園藝植物、油料能量植物上開始了更廣泛的應(yīng)用，成為功能基因研究和新型種質(zhì)資源創(chuàng)制的新手段。本文總結(jié)了2021年結(jié)合功能基因信息與基因組編輯技術(shù)進(jìn)行分子育種應(yīng)用的突出成果。英國(guó)洛桑研究所利用CRISPR/Cas9技術(shù)敲除了天冬酰胺合成酶基因，使小麥籽粒中游離天冬酰胺的積累量大大減少。北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心趙久然團(tuán)隊(duì)利用全基因組關(guān)聯(lián)分析、甲基磺酸乙酯(EMS)突變體和CRISPR/Cas9等技術(shù)鑒定到與玉米早期耐鹽性相關(guān)的重要遺傳位點(diǎn)和基因。北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心趙久然團(tuán)隊(duì)和舜豐生物王飛團(tuán)隊(duì)利用CRISPR/Cas9技術(shù)分別創(chuàng)制出利用傳統(tǒng)育種不能或難以獲得的有香米味道的玉米新種質(zhì)。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所等機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)一個(gè)從未被認(rèn)識(shí)的控制水稻每穗粒數(shù)(GNP)的調(diào)控基因——水稻生殖分生組織20()，并證明啟動(dòng)子的反轉(zhuǎn)恢復(fù)(IR)序列變異可通過(guò)基因組編輯或傳統(tǒng)育種方式用于種質(zhì)改良。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)姜臨建與青島清原生物技術(shù)等單位合作利用CRSPR/Cas9技術(shù)創(chuàng)制出除草劑抗性水稻新種質(zhì)。廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所發(fā)現(xiàn)并證明是利用CRISPR/Cas9介導(dǎo)的編輯系統(tǒng)培育長(zhǎng)保質(zhì)期水果的理想靶點(diǎn)。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所首次利用CRISPR/Cas9技術(shù)構(gòu)建油菜籽半矮化、緊湊型花序種質(zhì)資源。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用CRISPR/Cas9突變基因培育新的甘藍(lán)型油菜系。美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)和科羅拉多大學(xué)通過(guò)利用CRISPR/Cas9技術(shù)，在巨尾桉野生型雜交和2個(gè)開花位點(diǎn)T()過(guò)表達(dá)(開花)系中靶向同源基因，從而使桉樹同源基因發(fā)生突變。荷蘭瓦赫寧根大學(xué)瓦赫寧根植物研究所等機(jī)構(gòu)利用CRISPR/Cas9技術(shù)滅活菊苣中所有的基因，開發(fā)出不含苦味化合物的菊苣品種。

3.3 基因組編輯技術(shù)監(jiān)管方面的研究

《Nature》2021年發(fā)表了多篇有關(guān)基因組編輯技術(shù)專利共享和監(jiān)管法規(guī)的權(quán)威時(shí)評(píng)。荷蘭瓦赫寧根大學(xué)和研究中心宣布將允許全球范圍內(nèi)的非營(yíng)利組織免費(fèi)使用其CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，用于食品和農(nóng)業(yè)的非商業(yè)應(yīng)用；提倡所有擁有CRISPR專利的大學(xué)以及公共資助者和世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織等國(guó)際機(jī)構(gòu)聯(lián)合起來(lái)，建立更加明確的規(guī)則，方便CRISPR相關(guān)專利的免費(fèi)獲取和使用，從而更好地促進(jìn)CRISPR技術(shù)的研究和發(fā)展。英國(guó)等國(guó)家正在積極探索以創(chuàng)新方式管理食品和農(nóng)業(yè)中的基因編輯技術(shù)作物的認(rèn)定和管理方式。加拿大薩斯喀徹溫省大學(xué)通過(guò)一項(xiàng)歷時(shí)多年的調(diào)查項(xiàng)目，探索了如何看待新育種技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，包括對(duì)基因組編輯作物及其相關(guān)的監(jiān)管要求。調(diào)查結(jié)果顯示，新興生物技術(shù)為應(yīng)對(duì)社會(huì)和氣候挑戰(zhàn)提供了巨大的希望，但受社會(huì)影響形成的模糊監(jiān)管環(huán)境將限制基因組編輯作物的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

基因組編輯技術(shù)由于其在生物遺傳物質(zhì)編輯方面的精準(zhǔn)、快捷等特點(diǎn)，已成為當(dāng)前生命科學(xué)領(lǐng)域備受矚目的顛覆性技術(shù)，近年來(lái)發(fā)展迅猛。在近10年的論文產(chǎn)出中，中國(guó)、美國(guó)以突出的發(fā)文量，在該領(lǐng)域具備了絕對(duì)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。已打破之前以美國(guó)、法國(guó)和德國(guó)為代表的歐美發(fā)達(dá)國(guó)家作為作物基因組編輯技術(shù)的發(fā)源地，占據(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的格局。且中國(guó)于2017年起發(fā)文量首次超過(guò)美國(guó)，成為該領(lǐng)域年度發(fā)文最多的國(guó)家。目前，該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要以科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)為主，尤其是來(lái)自中國(guó)和美國(guó)的機(jī)構(gòu)。其中，中國(guó)科學(xué)院的研究論文數(shù)量位居全球首位，表現(xiàn)較為突出，在作物基因組編輯技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究具有明顯優(yōu)勢(shì)。多數(shù)機(jī)構(gòu)之間保持著密切的合作關(guān)系，但還局限于各國(guó)內(nèi)部的機(jī)構(gòu)間的合作。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和更替，基因組編輯技術(shù)的研究主題也在不斷發(fā)生變化：引導(dǎo)編輯技術(shù)、堿基編輯技術(shù)、表觀基因組編輯技術(shù)、細(xì)胞器基因組編輯技術(shù)、T-DNA free的基因組編輯技術(shù)等不斷優(yōu)化和發(fā)展，為基因組編輯技術(shù)的應(yīng)用提供了更多選擇；基因組編輯技術(shù)在創(chuàng)制病害抗性(抗病、抗除草劑)和非生物脅迫抗性(耐鹽、抗旱)等方面取得重大進(jìn)展，為應(yīng)對(duì)氣候變化，解決糧食安全問(wèn)題提供了解決方案，并在水稻、小麥等重要作物的育種中開展了豐富的實(shí)踐探索；基因組編輯作物商業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)明顯，其監(jiān)管問(wèn)題也成為關(guān)注的熱點(diǎn)。

4.2 展望

作物基因組編輯技術(shù)的巨大應(yīng)用前景已成為全球共識(shí)，我國(guó)對(duì)基因組編輯研發(fā)同樣高度重視，已將其列為“十四五”時(shí)期重點(diǎn)攻關(guān)目標(biāo)。在此背景下，我國(guó)首先要強(qiáng)化基因組編輯領(lǐng)域的戰(zhàn)略科技力量，整合國(guó)內(nèi)優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)，打造研究方向齊全、應(yīng)用鏈條暢通、資源積累豐富的創(chuàng)新平臺(tái)。加大基礎(chǔ)研究的資金投入，聚焦動(dòng)植物、微生物、重大疾病及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等多個(gè)研究和應(yīng)用維度，開展技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)落地。

在基礎(chǔ)研究方面，要著重開發(fā)更精準(zhǔn)、高效、全面和智能的基因組編輯技術(shù)，深入開展基因組編輯分子機(jī)制研究、可編程核酸酶結(jié)構(gòu)解析、新工具挖掘、遞送和編輯新技術(shù)研發(fā)等。同時(shí)利用大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)，積極開發(fā)CRISPR之外全新的顛覆性基因組編輯技術(shù)，推動(dòng)原創(chuàng)性、顛覆性的基礎(chǔ)研究成果產(chǎn)出。

在技術(shù)應(yīng)用方面，應(yīng)加快研究成果轉(zhuǎn)化，目前基因組編輯技術(shù)已經(jīng)在小麥、大豆、棉花、煙草等植物研究中取得顯著進(jìn)展，未來(lái)會(huì)在水稻等作物良種選育上發(fā)揮更大的作用。未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用中更趨向于用在植物產(chǎn)量、品質(zhì)以及非生物和生物抗逆性等方面的改良。這些能力必將改變現(xiàn)有的生物學(xué)研究，推動(dòng)分子遺傳學(xué)在作物改良中的發(fā)展。此外，該技術(shù)在功能基因組學(xué)和合成生物學(xué)等方面也存在巨大的潛力，必將實(shí)現(xiàn)更深層次的技術(shù)飛躍。

在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，應(yīng)盡快建立作物基因組編輯技術(shù)的監(jiān)管體系。準(zhǔn)確評(píng)估基因編輯作物的安全風(fēng)險(xiǎn)，完善政策支撐體系，構(gòu)建多部門協(xié)作體系，強(qiáng)化科普，營(yíng)造積極、客觀的科技輿情氛圍，增加公眾對(duì)CRISPR等基因編輯技術(shù)的了解和信任，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)落地，搭建以基因編輯技術(shù)為支柱的生物經(jīng)濟(jì)，保障我國(guó)糧食安全、生命健康和生態(tài)安全。