2024年5月29日，美國農業部宣布蘇州齊禾生科生物科技有限公司研發的基因編輯高油酸大豆P16獲得監管豁免。這標志著中國在美國市場成功獲得首個基因編輯產品的監管豁免，展示了中國在生物技術領域的競爭力和基因編輯技術在農業育種方面的巨大潛力。齊禾生科通過對大豆內源脂肪酸脫氫酶基因進行精準編輯，成功培育出高油酸大豆P16。這一突破性成果不僅優化了大豆的油脂組成，使大豆種子中的油酸含量提升至80%以上，還可能對提升其商業價值和市場競爭力產生積極影響。

CRISPR基因編輯技術，作為繼野生馴化、雜交和轉基因之后的第四代育種技術，標志著4.0育種時代的來臨。這項技術在改良重要經濟物種性狀方面展現出了巨大的潛力，本文將從植物和動物育種兩個方向為大家詳細介紹CRISPR技術的應用。

植物基因編輯育種

在植物育種領域，農作物作為基因編輯技術的明星對象，已經取得了令人矚目的成就。諸如糯玉米、高油酸大豆、抗褐變馬鈴薯、高GABA番茄、抗褐變蘑菇、抗除草劑水稻和抗除草劑玉米等基因編輯產品，在美國、日本等國家的市場上熠熠生輝，充分展現了基因編輯技術的巨大潛力。

玉米，這種重要的糧食和飼料作物，其關鍵性狀的優化和育種技術的發展具有深遠的意義。在這方面，CRISPR技術如同一把神奇的鑰匙，已廣泛應用于玉米的品質改良。它涉及多個方面，包括提升產量（例如通過減小葉夾角以增加種植密度，進而提高行和籽粒產量）、改善食用品質（如培育出糯玉米和甜玉米品種）、增強抗逆性（例如提升耐旱能力和抗除草劑能力），以及調控開花時間（在長日照條件下促使更早開花）等。接下來，小編將以玉米為例，為大家詳細介紹基于CRISPR技術的植物育種流程。

植物基因編輯的過程一般可分為六個步驟：

 01 

設計階段

依據目標基因序列，精確設計相應的核酸酶和gRNA（向導RNA）。這一步驟關鍵在于確保所設計的gRNA能夠特異性識別并引導核酸酶至靶基因位點，以實現精準編輯。02 構建階段構建適用于基因編輯的元件。這包括質粒載體形式、mRNA形式或RNP（核糖核蛋白復合體）形式。選擇合適的形式取決于實驗的具體要求和細胞類型。03 驗證階段在將構建的編輯工具轉入目標細胞前，需通過原生質體測試以驗證核酸酶的切割活性。利用PCR（聚合酶鏈反應）、測序等技術來確認核酸酶的切割效率和精確性。04 遞送階段將基因組編輯試劑送入植物細胞。在植物中，CRISPR/Cas系統的遞送通常采用DNA形式，通過基因槍法或農桿菌介導的遺傳轉化，將包含編輯系統的元件通過T-DNA形式插入至植物基因組。對于mRNA和RNP形式，一般通過原生質體轉化或基因槍法實現遞送。05 再生階段通過組織培養技術，將經過基因組編輯的細胞再生成完整植株。這一步驟是實現植物基因編輯應用的關鍵。06 篩選與分型階段對再生的植株進行篩選和基因分型，以確認基因組編輯是否成功，并識別具有預期基因型的植株。07 表型觀察階段對編輯后的植株進行培養，并進行表型觀察分析。這一步驟有助于評估基因編輯對植物性狀的影響，從而驗證基因功能和進行后續應用研究。

圖1. 基于CRISPR/Cas9系統的玉米基因組編輯技術流程[2]

與在植物育種領域的廣泛應用相呼應，基因編輯技術在動物育種領域同樣展現出了其廣泛的適用性和潛力。

動物基因編輯育種

基因編輯技術在動物育種領域的應用范圍極為廣泛。在改良生產性能方面，通過編輯動物基因組，改良畜禽經濟性狀，比如加快生長速度，提高飼料利用率等；在改善肉質方面，基因編輯方法既可以降低動物脂肪量，還能夠調整其肌肉組織的構成，以生產更符合市場和消費者需求的肉類產品；在增強家畜抗病能力方面，通過基因編輯開發出具備特定疾病抗性的新品種，能顯著提高動物種群的基因適應性，減少養殖業中抗生素的使用量。這一舉措不僅有助于保障人類健康，同時也是推動環境可持續發展戰略的關鍵因素[3]。下面，以基因編輯豬為例，我們將具體闡釋動物基因編輯的操作流程，揭示這項先進技術如何在現代畜牧業中發揮作用。

動物基因編輯的過程一般可分為六個步驟：

 01 

設計階段

根據目標基因序列，精確地設計出相應的核酸酶和gRNA（向導RNA）。02 構建階段根據實驗目的和靶細胞類型，選擇合適的形式構建基因編輯組件，可能包括質粒載體、mRNA或RNP（核糖核蛋白復合體）等形式。03 切割活性驗證階段在體外環境下，運用PCR、測序等分子生物學技術檢驗gRNA的切割效率，保證其能夠高效精準地剪切目標基因。04 轉染或注射階段應用細胞轉染、顯微注射或電穿孔等技術，將編輯工具有效傳遞至目標細胞或胚胎內。05 培養階段對經過轉染或注射的細胞或胚胎進行適當條件下的培養，以促進基因編輯的順利進行。06 效果驗證階段利用PCR、測序、Western blot等分析技術，確認目標基因是否已成功被編輯。07 表型觀察階段對經確認成功編輯的細胞或個體進行深入分析，例如觀察表型的變化、進行功能特性鑒定等，以評估基因編輯的實際效果與應用價值。

圖2. 基于CRISPR/Cas9系統的基因編輯豬技術流程[4]

基因組編輯技術的迅猛進展在基因功能探究與作物特性優化等領域已實現重大突破。隨著CRISPR/Cas系統的持續進化與精進，基于基因組編輯的前沿育種技術將進一步與高通量表型分析、基因組選擇、快速育種等尖端技術深度整合，為農業及畜牧業的創新發展注入強大動力。

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參考文獻：

[1] Gao C. Genome engineering for crop improvement and future agriculture. Cell. 2021 Mar 18;184(6):1621-1635.

[2] 楊夢冰, 江易林, 祝蕾, 安學麗, 萬向元. CRISPR/Cas植物基因組編輯技術及其在玉米中的應用. 中國生物工程雜志, 2021, 41(12): 4-12.

[3] 張格陽, 張子敬, 翟亞瑩, 呂世杰, 朱肖亭, 朱進華, 李崢, 于翔, 王紅利, 施巧婷, 閆祥洲, 王二耀. 基因編輯技術在我國畜牧業的研究進展[J]. 中國畜禽種業, 2022, 18(10): 45-48.

[4] Randall, S, Prathe, et al. Generation of a Commercial-Scale Founder Population of Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome Virus Resistant Pigs Using CRISPR-Cas [J]. Scientific Reports, 2017. DOI:10.1038/s41598-017-13794-2.