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编 者 按 粮食是人类生存的根基，是社会发展和国家稳定的基石。改革开放以来我国粮食生产取得长足进步，这离不开育种技术的提高。中共中央在近期发布了《关于做好2023年全面推进乡村振兴重点工作的意见》，其中提到要加快生物育种商业化步伐，重视生物育种带来的产业变革。育种技术的进步是粮食安全的保障，本期带您走进生物育种新技术。 2022年中国农业农村部制定公布了《农业用基因编辑植物安全评价指南（试行）》，主要针对没有引入外源基因的基因编辑植物，依据可能产生的风险申请安全评价。这标志着中国将开始批准基因编辑作物，对我国生物育种技术研发与产业推动具有里程碑意义。 基因编辑生物育种是一种新兴的比较精确的能对生物体基因组特定目标基因进行修饰的一种基因工程技术。可以删除、增加、替换基因。从某种程度上说，掌握了基因编辑就具备了改变生物特性的能力，因此基因编辑也被誉为“上帝之手”。 1 基因编辑与基因测序 基因编辑是一种直接对遗传物质中的特定序列进行定点敲除、插入或突变的技术。最早的基因编辑技术为同源重组，通过将外源DNA导入受体细胞，目的基因取代原有基因，促使特定基因失活或缺陷基因修复。 基因编辑改良植物性状是主要通过 CRISPR-Cas9 产生的双链断裂来诱导突变而实现的。CRISPR/Cas是一种适应性的免疫系统。追溯发现其存在于古细菌和原核生物细菌中，通过自身进化来抵抗入侵DNA和病毒。该系统能够对外源DNA进行识别、特异性切割，同时能够沉默外源基因表达。  基因编辑的基础工作是基因测序，可以广泛应用于基因测序、疾病诊断、癌症研究、药物开发和农业生物技术等领域。 测序技术，是指测定核酸（DNA和RNA）或氨基酸等生物分子序列的技术。在比较一个物种的同一基因座的等位基因时，其单个核苷酸的改变被称为单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms ,SNPs)。SNP是遗传多态性的基础，大部分的个体之间的遗传差异由此引起，SNP是联系基因型和表现型关系的桥梁，是衡量物种多样性的标准，通过对同一物种的不同个体进行测序，了解其差异，能有效认知基因型和表现型的关系。 2 基因编辑技术发展史 目前基因编辑技术的发展经历了三个阶段： 第一个阶段：ZFN技术。诞生于1996年，直到2002年，Bibikova 等第一次用ZFN的方法通过在果蝇中成功突变了yellow基因。ZFN技术最早由Sangamo生物科学公司商业化并用来开发治疗产品。在科研方面，Sangamo授权给了Sigma-Aldrich公司，Sigma-Aldrich公司将ZFN技术商业化，并推出CompoZr ZFN试剂技术平台。该技术的缺点是构建难度大且易于脱靶。 第二个阶段：TALEN技术。2009年，人工核酸酶技术——转录激活子样效应子核酸酶（TALEN）诞生。TALEN基因编辑产品工具主要由Addgene、美国明尼苏达大学Dan Voytas实验室、Cellectis Bioresearch公司、Life Technologies公司等开发。该技术虽然避免了脱靶，但操作过程相当繁琐。 前两代技术采用的是蛋白质-DNA的识别模式，导致切割位点有较高的特异性，无法随心所欲的选择切割位点。 第三个阶段：CRISPR/Cas9技术。采用的是RNA-DNA的识别模式，通过人工设计的gRNA来识别母的基因组序列，并引导Cas9蛋白酶进行有效切割DNA双链，形成双链断裂，损伤后修复会造成基因消除活敲入等，切割位点的选择上更加广泛。 2012年8月17日，奥地利维也纳大学教授埃马纽尔·夏彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和美国加州大学伯克利分校教授詹妮弗·杜德纳（CVC团队）合作，在《科学》杂志发表了一篇里程碑式的论文，成功解析了CRISPR/Cas9基因编辑的工作原理，并获得诺贝尔奖。2012年10月，麻省理工学院教授、博德研究所资深研究员张锋申请获得专利。 该项技术操作简便，周期短，成本低。短短几年，已成为主流的基因编辑工具，是当今生命科学领域中的一项颠覆性技术。  3 基因编辑育种技术最新突破 北京时间2023年01月03日， Nature Biotechnology 在线发表了来自马克斯·普朗克分子植物生理学研究所（MPIMP）Friedrich Kragler课题组题为“Heritable transgene-free genome editing in plants by transfer of Cas9 and gRNA transcripts from transgenic donor rootstocks to grafted wild-type shoots”的研究。该研究通过使用移动tRNA和CRISPR工具（又称“基因剪刀”），将嫁接与“移动” CRISPR剪辑工具相结合，实现植物跨物种的远距离基因编辑。这种技术方法可以简化和加快新型、遗传稳定的商业作物品种的开发。  1 RNA作为CRISPR载体 商业化作物需要遗传稳定，不能包含外源CRISPR/Cas9以及其他抗性的基因序列。通常情况下，这可以通过多代的异交或通过繁琐的再生过程来实现。两者都是需要浪费大量时间和金钱的，在许多农作物中都是尤其困难的，甚至是不可能的。Friedrich Kragler研究员领导的科学团队着手改变这一状况。 作为欧盟资助的PLAMORF项目（ERC）和德国研究部资助的概念验证项目（BMBF）的一部分，他们正在研究RNAs从根到芽的运输序列。该研究小组鉴定了一系列tRNA Like Sequence（TLS）可以作为RNA信号在植物内长距离移动。 该项工作的第一个创新是把这一发现与CRISPR/Cas9基因组编辑系统相结合，将这种可移动的TLS元件融合到CRISPR/Cas9序列中，使植物产生“移动”版本的CRISPR/Cas9 RNA。然后，将非转基因、未经修饰的野生型接穗嫁接到含有可移动CRISPR/Cas9 RNA的植物根部，然后从根部移动到嫩枝中，最终进入产生种子的花朵中。 这种可移动CRISPR/Cas9系统就会编辑花中的植物DNA，但是由于CRISPR/Cas9基因序列并没移动所以其本身并没有整合到接穗基因组中。因此，从这些花中发育出来的种子进行了所需的非转基因的基因编辑。  2 多种作物的编辑系统 该新型基因编辑系统更加令人兴奋的是提供了能够将不同物种结合在一起并进行跨物种基因编辑的可能性。该项工作的第二个创新就是把这种可移动基因编辑成功应用到拟南芥（Arabidopsis thaliana）与白菜型油菜（Brassica rapa）跨物种嫁接中。 该团队通过使用容易转化的拟南芥作为砧木与野生白菜型油菜进行嫁接，转基因砧木表达Cas9 和 gRNA转录本并运输到野生型接穗中进行目的基因的编辑。令人鼓舞的是，Friedrich Kragler研究员团队成功发现了经过编辑的白菜型油菜植株。  该研究第一作者杨磊博士认为该新型可移动基因编辑系统为未来分子精准设计育种搭建了一条快速高效的通道，为农作物重要农艺性状研究以及作物遗传改良提供有力的技术支撑！ 来源：知乎，网易， 国科农研院，Nature Biotechnology |
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