《Current Plant Biology》：Advances in CRISPR/Cas9 Genome Editing for Crop Improvement and Global Food Security
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本综述系统阐述了CRISPR/Cas9及其衍生技术（如碱基编辑/Prime编辑）在作物育种中的革命性作用，重点介绍了通过精准编辑关键基因（如OsPDS、TaMLO等）以增强作物抗逆性（生物/非生物胁迫）、提升营养品质及减少采后损失的最新案例。文章强调了人工智能引导设计、速度育种与基因组编辑技术的融合如何加速气候智能型作物的开发，并深入探讨了技术风险、伦理治理与公众接受度等关键问题，为应对全球粮食安全挑战提供了多维度解决方案。
CRISPR/Cas9技术：作物育种的精准革命
基因组编辑技术CRISPR/Cas9（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated protein 9）已彻底改变传统作物育种模式。其通过向导RNA（sgRNA）精准定位目标基因，利用Cas9核酸酶进行切割，实现对特定DNA序列的敲除、插入或替换。与传统育种技术相比，CRISPR/Cas9具有高效率、高精度和周期短的优势，尤其适用于多倍体作物（如小麦）的复杂基因组编辑。
作物抗逆性增强：对抗生物与非生物胁迫
在应对生物胁迫方面，CRISPR/Cas9技术通过编辑感病基因或导入抗病基因，显著提升了作物的抗病能力。例如，在水稻中敲除OsCPR5.1基因可赋予其对水稻黄斑驳病毒（RYMV）的抗性；编辑OsSWEET14基因能有效抵抗白叶枯病（Xanthomonas oryzae）。在番茄中，敲除SlPLC2基因增强了其对灰霉病（Botrytis cinerea）的抵抗力。针对病毒病害，CRISPR/Cas13系统可直接靶向RNA病毒基因组，抑制其复制，如在马铃薯和甘薯中成功应用于抵抗甜薯病毒病（SPVD）。
对于非生物胁迫，CRISPR/Cas9技术通过调控胁迫响应通路关键基因，有效提升了作物的耐逆性。为增强耐热性，研究人员敲除了水稻的OsRbohB基因，减少了活性氧（ROS）的过量积累；而过表达玉米的ZmHSFA2B转录因子则稳定了热应激响应。在抗旱方面，编辑小麦的TaRPK1基因改善了水分吸收能力；敲除水稻的OsPUB7基因则增强了其干旱和盐胁迫耐受性。针对冷胁迫，编辑水稻的OsCS511基因提高了抗氧化酶活性，而过表达小麦的TaTPS11基因则通过增加海藻糖含量来增强耐寒性。
作物产量与营养品质的协同提升
CRISPR/Cas9在提高作物产量和改善营养品质方面展现出巨大潜力。在水稻中，敲除Gn1a（OsCKX2）基因可增加细胞分裂素积累，从而提高每穗粒数；同时编辑GS3、TGW3和GW8基因能协同增加粒长、粒宽和粒重。著名的“黄金大米”是通过插入PSY和CRTI等类胡萝卜素生物合成基因，使稻米富含β-胡萝卜素（维生素A原），以应对维生素A缺乏症。通过编辑OsNAS2基因的启动子区域，可以提升稻米铁和锌的积累量。此外，敲除小麦的TaVIT2基因改变了液泡铁转运，提高了谷物中的生物可利用铁含量。
采后损失减少与 shelf-life 延长
果蔬采后损失是全球粮食安全的一大挑战。CRISPR/Cas9通过靶向编辑控制果实成熟和软化的基因，有效延长了货架期。在番茄中，敲除pectate lyase (PL)和alcobaca (ALC)基因能显著延缓果实软化，减少水分流失，同时保持β-胡萝卜素、番茄红素和维生素C等营养成分。抑制PG2a多聚半乳糖醛酸酶基因的功能，可以延迟成熟过程并防止组织分解。在香蕉中，敲除乙烯合成基因MaACO1不仅能延迟成熟，还增加了果实维生素C的积累。
技术创新：超越传统CRISPR/Cas9
技术进步极大地扩展了CRISPR工具箱的应用范围。碱基编辑（Base Editing） 无需产生DNA双链断裂即可实现单个碱基的精确转换（如胞嘧啶至胸腺嘧啶，或腺嘌呤至鸟嘌呤），例如利用胞嘧啶碱基编辑器改造番茄的SlGGP1基因，成功提高了果实维生素C含量。Prime编辑（Prime Editing） 则更进一步，能够实现所有类型的碱基替换、插入和缺失，提供了更高的精度和更低的脱靶效应，为同时引入多个复杂性状（如复合抗逆性）提供了可能。
新型Cas变体，如SpCas9-NG和xCas9，放宽了原型间隔序列邻近基序（PAM）的限制（如从NGG到NG甚至更宽松的序列），极大地扩展了基因组中的可编辑靶点范围。而像Cas12a（Cpf1）这样识别T-rich PAM（如TTTV）的酶，为编辑高GC含量的作物基因组提供了更多选择。
人工智能与速度育种：加速育种进程
人工智能（AI）与CRISPR技术的结合正重塑作物改良范式。AI算法能够分析多组学数据，预测关键靶点基因，并优化sgRNA设计以提高编辑效率并降低脱靶风险。同时，速度育种（Speed Breeding） 技术通过控制光周期和温度等环境因素，大幅缩短作物世代时间，使得在一年内完成多轮筛选成为可能。AI引导的CRISPR编辑与速度育种相结合，形成了强大的闭环育种系统，能够快速固定优良性状，将传统需要数年至十数年的育种周期压缩到几个月。
风险、伦理与公众接受度
尽管前景广阔，CRISPR/Cas9技术的应用也伴随着风险与伦理考量。脱靶效应（Off-target effects）和结构变异（Structural Variations）是主要的技术风险，可能带来非预期的表型。生态风险包括编辑基因通过基因流扩散到野生近缘种，潜在影响生物多样性。在伦理层面，确保技术收益的公平分配、避免加剧全球农业技术鸿沟至关重要。公众接受度则高度依赖于透明的沟通、明确的标签制度以及包容性的治理模式。建立稳健的风险评估框架和伦理指南，是技术负责任发展和应用的关键。
未来展望：迈向可持续的全球粮食安全
未来，CRISPR/Cas9技术将继续向编辑多基因控制的复杂数量性状（多基因编辑）方向发展，以创造具有综合气候韧性的作物。将编辑技术拓展至小米、苔麸、山药等对区域饮食至关重要但研究投入不足的“孤儿作物”（Orphan Crops），将有助于促进农业多样化和区域营养安全。将基因组编辑成果与保护性农业、间作等生态农业实践相结合，可以实现可持续集约化。最后，通过公私合作伙伴关系（PPP）确保技术的可及性和可负担性，特别是对资源有限的小农户，对于实现全球粮食安全和营养公平的终极目标不可或缺。
