综述：撒哈拉以南非洲地区根茎作物发育中的基因组编辑技术

《Plant-Environment Interactions》：Genome Editing in Root and Tuber Crop Development in Sub-Saharan Africa

　　**摘要**

精准基因组编辑技术，特别是使用clustered regularly interspaced short palindromic repeats（CRISPR）/CRISPR-associated protein 9（Cas9）的方法，通过实现定向和高效的基因修饰，正在推动作物改良的进展。像土豆、木薯、红薯和山药这样的根茎作物对全球粮食和营养安全至关重要，但它们对气候变化、病虫害以及有限的遗传多样性仍然非常敏感。基因组编辑技术有助于开发出改进的性状，包括增强抗病性、耐非生物胁迫性、提高营养价值以及延长保质期。本综述综合了全球生产系统中根茎作物基因组编辑的最新进展，其中特别举例说明了撒哈拉以南非洲地区的积极基因组编辑项目。文章还探讨了关键技术限制，如植物转化和再生的效率低下问题，并强调了不同国家间政策框架导致的监管挑战。讨论了新兴的解决方案，包括基因型独立的编辑策略和无DNA的方法，这些方法可以避免外源遗传物质的整合。应对这些挑战对于发展具有韧性和可持续性的粮食系统至关重要。与以往的综述不同，本研究将机制认识与跨作物综合分析相结合，提出了用于多倍体根茎作物复杂性状工程化的下一代基因组编辑策略。

**1 引言**

根茎作物（包括土豆、木薯、红薯和山药）为数亿人提供了粮食和营养保障，然而传统的育种方法在应对这些作物的克隆繁殖、高杂合性以及频繁出现的多倍体现象方面遇到了困难。在过去的十年中，基于CRISPR的基因组编辑技术帮助解决了其中的一些瓶颈问题，实现了抗病性、产品品质和耐逆性的提升，同时保留了优良基因型。CRISPR基因组编辑技术克服了根茎作物克隆繁殖和多倍体的关键限制，使得无需依赖重组育种即可直接修改优良基因型。除了核酸酶敲除技术外，精准编辑工具在根茎作物中也显示出显著效果。专为土豆设计的胞嘧啶碱基编辑器能够在原生质系统中高效实现C→T转换，从而在不产生双链断裂的情况下实现可预测的氨基酸替换。Prime编辑技术在四倍体土豆中的效率虽然低于传统CRISPR技术，但能够精确指定核苷酸变化，这为多倍体作物中的等位基因操作提供了可能性（Westberg等人，2023年；Perroud等人，2022年）。越来越多的案例研究证明了基因编辑的有效性。例如，在土豆中，编辑StDMR6-1等易感基因可以显著增强抗晚疫病的能力。多年的田间评估表明，这种编辑不会导致产量或品质的下降。值得注意的是，经过编辑的株系还对早疫病和普通疮痂病具有额外的抗性，这表明单一基因修饰能够实现广泛的疾病抵抗谱（Kieu等人，2021年；Karlsson等人，2024年）。在木薯中，编辑宿主翻译起始因子（nCBP/eIF4E家族）可以破坏病毒VPg蛋白与宿主eIF4E复合体之间的相互作用，从而阻止病毒RNA的翻译，从而增强抗病性；直接敲除产生氰化糖苷途径的基因（如CYP79D1/D2）可以通过阻断缬氨酸向肟中间体的转化步骤来降低根部的氰化物潜力。尽管红薯是六倍体，但基因组编辑技术也越来越适用于其改良；针对淀粉生物合成基因（如IbGBSSI和IbSBEII）的定向修饰已经改善了淀粉的组成和品质（Wang等人，2019年）。此外，使用CRISPR/Cas13的RNA靶向方法可以通过降解病毒转录本来实现对病毒病害（如红薯病毒病）的抗性（Yu等人，2022年）。长期以来被认为难以进行遗传转化的山药最近也建立了高效的CRISPR/Cas9诱变系统，例如通过靶向编辑DrPDS基因，为未来的性状改良奠定了基础（Syombua等人，2021年）。最近的研究综述总结了这些在营养作物基因组编辑方面的广泛进展（Tripathi等人，2024年）。本文综合了将基因组编辑技术应用于根茎作物的最新成果，这些作物对数十亿人的生计至关重要。特别是CRISPR/Cas9技术实现了精准的基因修饰，提高了产量潜力、营养组成和生物胁迫的抵抗力（Divya等人，2024年）。自从CRISPR/Cas9技术问世以来，许多非洲研究人员已经利用这一工具进行作物改良。非洲的基因组编辑项目主要集中在通过定向性状修饰来提高主食作物的抗病性和在气候胁迫下的产量稳定性（Karembu，2021年）。图1中强调的区域是目前正在实施基因组编辑项目的地区，作为更广泛全球背景下的示例包含在内。本文回顾了多个地区根茎作物通过CRISPR/Cas9介导的基因组编辑的最新进展。

**2 用于根茎作物改良的基因组编辑工具**

基因组编辑技术能够实现对植物基因组的精确、序列特异性的修饰，并越来越多地应用于改善根茎作物的关键性状。其中，CRISPR/Cas系统由于其高效性、灵活性和设计简便性而被最广泛使用。基因编辑已成为作物改良的重要手段，能够显著提高生产力并促进全球粮食和能源安全（Chen等人，2024年；Gomez等人，2019年；Veillet等人，2019年）。CRISPR/Cas9是最广泛用于植物研究和作物改良的基因组编辑系统，它由Cas9核酸酶和引导RNA（gRNA）组成（Tussipkan和Manabayeva，2021年）。它们共同诱导目标DNA双链断裂（DSBs）（Doudna和Charpentier，2014年），随后由细胞DNA修复途径进行修复。CRISPR/Cas9介导的基因组编辑涉及引导RNA对特定基因组位点的定向，接着通过内源性途径进行DNA切割和修复，通常会导致基因破坏或定向修改。在根茎作物中，这一过程的效率受到转化和再生系统的显著影响，这些仍然是关键技术限制。在CRISPR/Cas介导的基因组编辑中，Cas-guided RNA复合体靶向特定DNA序列，并通过内源性细胞途径进行定点修饰，从而导致基因破坏或精确的序列变化。在根茎作物中，成功的编辑不仅取决于靶向效率，还取决于有效的再生和编辑植株的验证。图2展示了根茎作物中CRISPR/Cas介导的基因组编辑的概念性工作流程，突出了这些作物特有的限制，包括基因型依赖的转化、再生瓶颈、多倍体基因组的复杂性以及在编辑过程中保持优良克隆性状的需求。

**3 根茎作物基因组编辑的挑战与解决方案**

根茎作物的基因组编辑面临的主要挑战包括转化和再生系统的效率低下以及多倍体基因组的复杂性。为了克服这些挑战，研究人员开发了多种替代技术。除了传统的CRISPR/Cas9编辑外，还出现了Cas12和Cas13等新型核酸酶。Cas12具有灵活的DNA靶向能力，已被应用于需要高效和定向DNA修饰的基因组工程（Zetsche等人，2015年）。Cas13则靶向RNA，可用于转录后调控，为植物抗病毒防御提供策略（Abudayyeh等人，2017年；Yu等人，2022年）。这些CRISPR系统根据应用场景提供了互补的功能优势：Cas9主要用于基因敲除，Cas12变体增强了靶向灵活性，而Cas13则有助于针对RNA的抗病毒防御。除了传统的CRISPR/Cas9编辑外，还开发了多种Cas变体和衍生技术以进一步提高编辑的精确度和适用范围（Kaniganti等人，2026年）。Cas9仍然是最常用的基因组编辑系统，已被成功应用于改善根茎作物的抗病性和淀粉品质等性状。例如，通过编辑StDMR6等易感基因，可以增强土豆的抗晚疫病能力（Kieu等人，2021年；Karlsson等人，2024年）。通过编辑淀粉生物合成基因（如GBSSI），可以改变淀粉组成（Wang等人，2019年）。Cas12a（Cpf1）是一种具有独特PAM识别能力的核酸酶，能够生成错落有致的DNA断裂，适用于多重基因组编辑和定向插入。最近，紧凑型核酸酶（如Cas12f）因其较小的体积而受到关注，可能更易于进入植物细胞，尤其是在载体容量有限的系统中。与传统DNA靶向核酸酶不同，Cas13靶向RNA分子，可用于抵抗RNA病毒（Yu等人，2022年）。除了基于核酸酶的编辑外，碱基编辑器和Prime编辑器可以在不产生双链断裂的情况下实现精确的核苷酸替换。胞嘧啶碱基编辑器已在土豆中成功应用于引入GBSSI等基因的定向核苷酸替换，从而调节淀粉特性（Westberg等人，2023年）。Prime编辑技术在多倍体作物（如土豆）中展示了精确序列修饰的潜力，为定向等位基因替换和性状优化提供了机会（Perroud等人，2022年）。

**4 CRISPR/Cas9在植物基因组编辑中的替代方案**

Cas-CLOVER系统是一种新兴的替代方案，它通过双引导RNA靶向机制提供了更高的特异性，从而减少了脱靶效应（Madison等人，2022年；Tripathi等人，2023年）。Cas-CLOVER已在单子叶和双子叶植物中成功应用，证明了高编辑效率和强大的基因敲除能力（Madison等人，2022年；Tripathi等人，2023年）。尽管有这些优势，基因组编辑作物的应用和商业化仍受监管框架的影响，这些框架因地区而异。在一些国家，不含外源DNA的基因组编辑植物可免于GMO法规的限制，而在包括欧盟在内的其他国家，则需按照现有的GMO政策进行管理。这种监管差异对基因组编辑技术的部署具有重要意义，特别是在撒哈拉以南非洲地区，那里不断发展的监管框架可能受到国际政策的影响，进而影响技术采纳、研究合作和贸易（Sánchez，2024年；Tachikawa和Matsuo，2024年）。CRISPR-Cas9是广泛应用于多种物种的基因编辑工具，包括根茎类作物，这得益于其引导RNA设计的简便性、对蛋白质工程的需求极少、成本效益高以及在产生目标突变方面的高效性（Saini等人，2023年）。然而，脱靶突变和意外基因组改变的风险可能引发生物安全性和监管方面的担忧，特别是在编辑的准确性、对基因功能的潜在意外影响以及批准前所需的全面分子特性分析方面。相比之下，TALENs通过更长的DNA识别序列提供了更高的特异性，但它们更加劳动密集且成本更高。曾经广泛使用的锌指核酸酶（ZFNs）由于基于CRISPR系统的简单性和灵活性已被很大程度上取代（Doudna和Charpentier，2014年；Chen等人，2024年）。Cas-CLOVER系统提供了一个高精度替代方案，具有最小的脱靶效应，特别适合敏感的应用场景。根茎类作物由于开花不规律或缺失、结实率低以及复杂的遗传背景，导致育种面临巨大挑战，需要大量的回交才能实现纯合。基因组编辑通过实现对目标基因的精确修改，特别是那些调控开花的基因，从而促进了农业可持续性所需改良品种的开发。CRISPR/Cas9有潜力通过引入抗病性、耐旱性和营养价值等性状来革新无性繁殖作物的生产，最终提高生产力与可持续性（Lakhani等人，2023年）。表2展示了根茎类作物基因组编辑的最新进展。总体而言，基因组编辑在根茎类作物中的有效性取决于编辑策略与性状生物学之间的匹配程度，这突显了基于机制的目标选择的重要性。

| 作物 | 目标基因/位点 | 性状/结果 | 编辑系统 | 传递/再生 | 年份 | 参考文献 |
|------|---------|---------|---------|-------|---------|
| 土豆（Solanum tuberosum）| 空泡 invertase（VInv/StVInv）5′ UTR/promoter | 减少冷诱导的甜化；降低冷藏块茎中的还原糖含量 | CRISPR/Cas9（在调控区域进行敲除/插入） | 2024年 | Shumbe等人（2024年） |
| 土豆（S. tuberosum） | 多酚氧化酶基因StPPO2（多重编辑） | 减少酶促褐变；提高加工品质 | CRISPR/Cas9（多重编辑） | 2023年 | Ly等人（2023年） |
| 土豆（S. tuberosum） | 颗粒结合淀粉合成酶I（StGBSSI） | 无蜡质（无/低直链淀粉）块茎淀粉；改变淀粉功能 | 胞质碱基编辑器+CRISPR/Cas9 | 2019年 | Veillet等人（2019年） |
| 土豆（S. tuberosum） | eIF4E1（翻译启动因子） | 扩展对PVY菌株的抗性谱 | CRISPR/Cas9（敲除） | 2022年 | Lucioli等人（2022年） |
| 木薯（Manihot esculenta） | 植物烯脱饱和酶（MePDS） | 白化/光漂白标记；首个在木薯中的CRISPR PoC应用 | CRISPR/Cas9 | 2017年 | Odipio等人（2017年） |
| 木薯（M. esculenta） | nCBP-1 & nCBP-2（eIF4E异构体） | 减少木薯褐条病的严重程度/发生率 | CRISPR/Cas9（同时编辑） | 2019年 | Gomez等人（2019年） |
| 甘薯（Ipomoea batatas） | IbGBSSI; IbSBEII | 改变淀粉品质（高直链淀粉/改变直链含量） | CRISPR/Cas9（敲除） | 2019年 | Wang等人（2019年） |
| 甘薯（I. batatas） | SPCSV RNase3（病毒基因） | 对甘薯病毒病（SPVD）的抗性 | CRISPR/Cas13（RfxCas13d RNA靶向） | 2022年 | Yu等人（2022年） |
| 山药（Dioscorea spp.） | 植物烯脱饱和酶（PDS） | 在山药中建立首个高效的基因组编辑系统；白化表型标记 | CRISPR/Cas9 | 2021年 | Syombua等人（2021年） |
| 胡萝卜（Daucus carota） | DcPDS及其他位点（首次在胡萝卜中展示） | 概念验证胡萝卜基因组编辑；可见白化表型 | CRISPR/Cas9 | 2018年 | Klimek-Chodacka等人（2018年） |
| 胡萝卜（D. carota） | 多个位点（无转基因） | 通过RNP传递实现无转基因编辑 | Cas9 RNP（无需DNA） | 2025年 | Yarra和Krysan（2025年） |
| 萝卜（Raphanus sativus） | RsGL1a和RsGL1b（GLABRA1同源物） | 无毛（无毛状体）表型；成熟的萝卜CRISPR技术流程 | CRISPR/Cas9 | 2022年 | Muto和Matsumoto（2022年） |
| 甜菜（Beta vulgaris） | Becurtovirus（甜菜卷曲顶病毒）基因组靶点（多重编辑） | 广谱抗性；抑制系统感染 | CRISPR/Cas9（抗病毒） | 2023年 | Y?ld?r?m等人（2023年） |

**3. 基因组编辑在根茎类作物改良中的合理性和必要性**
根茎类作物，如土豆（Solanum tuberosum）、木薯（Manihot esculenta）、甘薯（Ipomoea batatas）和山药（Dioscorea spp.），是全球数十亿人的主要粮食来源，尤其是在撒哈拉以南非洲地区，它们提供必要的碳水化合物、微量营养素和膳食能量。尽管这些作物具有全球重要性，但由于多种生物学和农艺学限制，通过传统育种方法进行遗传改良仍然具有挑战性。许多根茎类作物是多倍体（例如四倍体土豆和六倍体甘薯）并且高度杂合，这使得理想等位基因的鉴定、选择和固定变得复杂（Lakhani等人，2023年；Divya等人，2024年）。此外，它们主要通过无性繁殖方式传播，限制了减数重组，延长了育种周期，使得在不破坏优良品种特性（如产量稳定性、块茎品质、加工特性和适应当地农业生态条件）的情况下引入新性状变得困难。这些限制还因易感染主要病原体（如马铃薯晚疫病的Phytophthora infestans和木薯花叶病毒）以及与气候变化相关的非生物胁迫（如干旱和高温）而加剧。基因组编辑技术，特别是基于CRISPR/Cas的系统，为精确、位点特异性的目标基因修饰提供了成熟的方法。与传统育种相比，基因组编辑能够直接操作致病基因，包括易感因子和代谢酶，同时保持优良的遗传背景（Kieu等人，2021年；Veillet等人，2019年）。这种方法的有效性取决于目标基因的生物学作用。例如，在木薯中编辑翻译启动因子eIF4E可以通过干扰病毒VPg蛋白与宿主翻译机制之间的相互作用来赋予抗性，从而防止病毒RNA的翻译和复制（Bastet等人，2019年；Gomez等人，2019年）。类似地，对GBSSI基因的靶向修饰通过干扰ADP-葡萄糖介导的葡聚糖链延长来改变淀粉生物合成，从而产生无直链淀粉或低直链淀粉（“蜡质”淀粉），具有改善的工业特性，包括更高的糊精透明度、改性的粘度和更好的消化性（Veillet等人，2019年；Wang等人，2019年）。除了品质性状外，基因组编辑还能够精确调控农艺性状，如除草剂耐受性。例如，对ALS1和EPSPS等基因的编辑通常涉及靶向点突变，改变除草剂结合位点的同时保持酶功能，从而在不破坏关键代谢途径的情况下赋予抗性。同样，对抗性（R）基因或易感基因的靶向修饰提高了对Phytophthora infestans的抗性，同时保持了产量和块茎品质（Kieu等人，2021年）。这些例子共同表明，基因组编辑可以实现机制驱动的性状改良，为开发抗逆性强、表现优异的根茎类作物品种提供了更可预测和高效的方法。因此，基因组编辑正成为解决提高根茎类作物生产力、品质和气候适应性这一紧迫需求的不可或缺工具（Tussipkan和Manabayeva，2021年；Tripathi等人，2022年）。

**4. 根茎类作物基因组编辑的最新进展**
基因组编辑的最新进展使得根茎类作物（包括木薯、土豆、甘薯和山药）的机制驱动改良成为可能，这些作物对全球粮食安全和生计至关重要（Saini等人，2025年）（表3）。在木薯中，靶向敲除CYP79D1和CYP79D2通过阻断莲麻籽苷生物合成的初始步骤来减少氰苷积累，这些细胞色素P450酶将缬氨酸转化为氰苷中间体。阻断这一途径可以防止有毒的氰化氢的下游释放，从而提高食品安全和加工品质（Gomez等人，2023年）。此外，编辑与易感性相关的基因如MeSWEET10a可以通过限制病原体引起的糖外流来增强对细菌性枯萎病的抗性（Wang等人，2022年；Wang等人，2023年）。

**表3. 根茎类作物基因组编辑的最新进展和应用**
| 作物 | 基因靶点/系统 | 机制/性状结果 | 参考文献 |
|------|---------|---------|---------|
| 木薯 | CYP79D1/D2 | 阻断氰苷生物合成，通过阻止缬氨酸转化为肟，减少莲麻籽苷和氰化物的释放 | Gomez等人（2023年） |
| 木薯 | MeSWEET10a启动子 | 减少病原体引起的糖外流，限制细菌生长并增强抗病性 | Wang等人（2022年）；Mukami等人（2024年） |
| 木薯 | nCBP-1/nCBP-2 | 阻断病毒VPg与eIF4E的相互作用，抑制病毒RNA翻译和CBSD的发展 | Gomez等人（2019年） |
| 木薯 | 基于CsCMV的病毒载体 | 在植物体内传递编辑成分，实现短暂表达并减少对组织培养的依赖 | Tuo等人（2023年） |
| 土豆 | StDMR6-1 | 通过激活水杨酸介导的防御途径增强抗性 | Kieu等人（2021年） |
| 土豆 | St16DOX/StPM1 | 修改代谢/易感性途径，降低病原体兼容性并提高抗性 | Bi等人（2024年） |
| 土豆 | GBSSI | 通过干扰ADP-葡萄糖的结合来阻断直链淀粉生物合成，产生无直链淀粉 | Veillet等人（2019年） |
| 甘薯 | IbGBSSI | 减少直链淀粉合成，提高淀粉消化性和工业加工品质 | Wang等人（2019年） |
| 甘薯 | IbSBEII | 改变支链淀粉的比例，修改淀粉结构和功能特性 | Wang等人（2019年） |
| 甘薯 | SPCSV RNase3（Cas13） | 靶向病毒基因组，赋予对甘薯病毒病的抗性 | Yu等人（2022年） |
| 山药 | DrPDS | 阻断类胡萝卜素生物合成（白化表型），实现基因组编辑的功能验证 | Syombua等人（2021年）；Agre等人（2026年） |

在土豆中，基因组编辑通过靶向修改易感基因和代谢途径提高了抗病性和品质性状。例如，阻断易感相关基因可以增强对Phytophthora infestans的抗性，同时保持农艺性能（Kieu等人，2021年；Bi等人，2024年）。编辑淀粉生物合成基因如GBSSI通过干扰ADP-葡萄糖介导的葡聚糖链延长来改变直链淀粉含量，从而修改淀粉功能，适用于食品加工和工业应用（Veillet等人，2019年）。在甘薯中，编辑IbGBSSI和IbSBEII可以通过改变直链淀粉和支链淀粉的合成平衡来精确调节淀粉组成，从而改善质地和营养特性（Wang等人，2019年）。在山药中，CRISPR/Cas9介导的DrPDS编辑建立了一个功能性的基因组编辑平台，为这一先前难以改良的作物未来的性状改良奠定了基础（Syombua等人，2021年）。这些进展得到了技术的支持。基于病毒载体的传递系统，如木薯花叶病毒平台，能够在植物体内传递基因组编辑成分，无需稳定的转化，从而减少对组织培养的依赖并提高编辑效率（Tuo等人，2023年）。多重CRISPR策略利用多个引导RNA同时靶向多个基因，允许协调修改由基因网络控制的复杂性状。此外，AI辅助的功能基因组学资源整合了基因组、转录组和表型数据集，以识别关键调控基因并优先选择编辑目标，从而加速性状发现和基因组编辑设计（Li等人，2026年；Zhou等人，2024年）。这些研究共同表明，基因组编辑正在从单基因修饰向基于机制的整合基因组编辑策略过渡，使得根茎类作物的性状改良更加精确和高效。

**5. 通过先进基因组编辑加速根茎类作物的遗传改良**
基因组编辑工具，特别是CRISPR/Cas系统，通过实现对病害抗性、采后品质和淀粉组成的靶向改良，促进了根茎类作物的遗传进步（Kieu等人，2021年；Gomez等人，2019年；Veillet等人，2019年；Wang等人，2019年），相关趋势在最新综述中有总结（Tripathi等人，2024年；Chen等人，2024年）。包括木薯、土豆、甘薯和山药在内的主粮作物的基因组资源已显著扩展，促进了这些复杂无性繁殖作物的高效基因组编辑和性状改良（Divya等人，2024年）。在土豆中，CRISPR/Cas9编辑GBSS1、SBE1和SBE2基因使得生产出无转基因的品系，通过改变直链淀粉和支链淀粉的合成平衡来修改淀粉组成；具体来说，阻断GBSS1可以减少直链淀粉的形成，因为ADP-葡萄糖介导的链延长受到干扰，而SBE突变会影响支链淀粉的分支结构（Andersson等人，2017年，2018年；Toinga-Villafuerte等人，2022年；Kusano等人，2018年）。在土豆中的进一步CRISPR创新包括通过同源定向修复和表观基因组编辑策略敲除St16DOX以消除有毒的糖生物碱，以及StPM1，增强对Phytophthora病原体的抗性而不影响生长（Bi等人，2024年；Nahir?ak等人，2022年）。例如，CRISPR/Cas9介导的StDMR6-1编辑显著增强了对Phytophthora infestans的抗性，且不会影响产量（Kieu等人，2021年；Karlsson等人，2024年）。在木薯中的进展包括通过同源定向修复和表观基因组编辑策略进行基因标记，以提高对细菌性枯萎病的抗性（Veley等人，2021年，2023年）。同时编辑nCBP-1和nCBP-2在木薯中减少了木薯褐条病的严重程度，通过阻断病毒RNA翻译所需的宿主因子（Gomez等人，2019年）。此外，CRISPR/Cas9介导的MeF6′H基因定向突变已被证明可以显著减少木薯储藏根的采后生理恶化（PPD），从而提高保质期和收获后的品质（Mukami等人，2024年）。在甘薯中，对淀粉生物合成基因（IbGBSSI、IbSBEII）的编辑显示了精确调节淀粉品质的效果，而早期在山药中对视觉标记基因（如DrPDS）的CRISPR研究为未来的性状工程奠定了基础（Wang等人，2019年；Divya等人，2024年）。这些突破共同展示了基因组编辑如何改变根茎类作物的育种方式，并为在不同农业环境中培育出抗逆性高、表现优异的品种铺平了道路。尽管取得了这些进展，但实际应用仍然受到转化效率、多倍体基因组复杂性以及再生瓶颈的限制，这将在下一节中讨论。

5.1 跨作物比较见解

尽管应用领域多样，根茎类作物中的基因组编辑工作大致集中在三种主要机制策略上。首先，通过破坏易感基因（例如DMR6、eIF4E）来获得对病原体的持久抗性，方法是通过干扰病原体建立和复制所需的宿主因子。其次，通过重新连接代谢途径（例如GBSSI、CYP79D）实现对关键生物合成过程的靶向修改，从而改善品质特征，如改变淀粉组成并减少有毒代谢物的积累。第三，通过编辑调控元件（包括启动子修改，例如MeSWEET10a），可以精确控制基因表达的时间和空间，特别是在应对生物胁迫信号时。图3展示了根茎类作物中主要基因组编辑策略的统一机制框架。该图说明了三种核心编辑策略：（i）破坏易感基因（例如DMR6、eIF4E）以通过阻断病原体-宿主相互作用来增强抗病性；（ii）代谢途径工程（例如GBSSI、CYP79D）以修改淀粉组成并减少有毒代谢物；（iii）调控元件编辑（例如MeSWEET10a启动子）以精细调节基因表达。新兴的方法包括多重基因组编辑、表观基因组编辑和人工智能辅助的目标发现，被视为在多倍体作物中设计复杂性状的下一代策略。这些概念基于已发表的关于根茎类作物基因组编辑应用和策略的研究（例如Kieu等人，2021年；Veillet等人，2019年；Chen等人，2024年；Tripathi等人，2024年）（图由作者使用BioRender.com创建）。然而，跨物种比较揭示了当前方法的一个关键限制。大多数根茎类作物的基因组编辑研究仍然集中在单基因目标上，而诸如产量稳定性、非生物胁迫耐受性和资源利用效率等关键农艺性状则受到复杂的多基因调控网络的支配。大多数成功的基因组编辑应用都集中在单基因目标上，例如易感基因和关键代谢酶，如StDMR6-1、nCBP和GBSSI的研究所示（Kieu等人，2021年；Gomez等人，2019年；Veillet等人，2019年）。这一差距反映了当前基因组编辑应用的主要是单基因焦点与目标性状的复杂多基因结构之间的不匹配，最近的相关综述中对此进行了更广泛的讨论（Chen等人，2024年；Tripathi等人，2024年）。解决这一限制需要向多重基因和网络级别的基因组编辑战略转变，以便同时操纵多个基因和调控回路。CRISPR多重编辑、表观基因组编辑和人工智能辅助的功能基因组学的新兴进展开始支持这一转变，为解码和设计多倍体及无性繁殖作物的复杂性状提供了新的机会（Li等人，2026年；Chen等人，2024年）。这些综合方法对于充分发挥基因组编辑在根茎类作物改良中的潜力以及弥合实验室规模创新与田间表现之间的差距至关重要。总体而言，这些研究表明，相对于传统的育种方法，针对易感基因和关键代谢途径的基因组编辑策略能够一致地实现更可预测和持久的性状改进，因为它们能够直接修改造成性状的遗传决定因素。尽管取得了这些进展，但实际应用仍然受到转化效率、多倍体基因组复杂性以及再生瓶颈的限制，这将在下一节中讨论。这些例子说明了根茎类作物基因组编辑的一个统一原则：通过精确的分子机制，靶向操纵宿主易感因子、代谢酶和生物合成途径基因可以实现可预测的性状修改。对根茎类作物主要研究的分析表明，大多数成功的基因组编辑应用都针对易感基因或关键代谢酶。然而，相对较少的研究关注产量或非生物胁迫耐受性等多基因性状，这突显了当前研究中的一个主要空白，并强调了需要多重基因和网络级别编辑方法的必要性。表4总结了根茎类作物中关键基因组编辑目标、它们的分子机制及由此产生的性状结果。

6 当前的限制和未来方向

根茎类作物在基因组编辑方面面临独特的生物学和技术挑战，特别是由于基因冗余性和多效性，即多个基因执行重叠功能或单个基因影响多个性状。在这种情况下，编辑单个基因可能仅产生有限的表型效应，或导致生长、产量或品质方面的非预期权衡，因此需要同时针对多个基因拷贝或调控途径（Chincinska等人，2023年；Chen等人，2024年）。一个主要的实际限制是转化和再生过程，这在大多数根茎类作物中高度依赖于基因型。许多农民偏好的品种转化效率较低，而基于组织培养的再生通常会引入体细胞变异，即在体外培养过程中发生的非预期遗传或表观遗传变化，可能导致表型不稳定。先前的研究已经报告了在这些挑战上的重要进展。例如，Elegba等人（2021年）通过优化农杆菌介导的感染参数和再生培养基，成功实现了对一种加纳农民偏好木薯品种的转化和再生。同样，Segatto等人（2022年）通过改进外植体选择、感染条件和培养环境，提高了木薯的转化效率。然而，这些进展仍然具有特定于实验方案和基因型的特点，需要大量的优化，并且仍然依赖于组织培养系统，这仍然存在体细胞变异和嵌合体的风险。这些发现强调了需要开发不受基因型影响的转化系统和在植物体内编辑方法，以便在多种品种中实现更广泛的应用。新兴策略，如无DNA核糖核蛋白（RNP）递送和植物体内转化系统，旨在通过减少对组织培养的依赖性和最小化非预期的基因组改变来克服这些限制，尽管它们的效率在不同物种间仍存在差异（Ma等人，2024年；Shen等人，2024年）。编辑技术的进步，包括碱基编辑器和首发编辑器，通过允许进行靶向核苷酸替换而不引发双链断裂，提高了精度。碱基编辑器直接介导核苷酸转换（例如C→T或A→G），而首发编辑器则可以使用逆转录酶引导的修复来实现可编程的插入、删除或替换。然而，它们在多倍体RTC基因组中的应用仍然受到效率变化和同时编辑多个等位基因的挑战（Perroud等人，2022年；Chen等人，2024年）。另一个主要挑战是对编辑后的植物进行准确基因分型，特别是在多倍体物种中。诸如等位基因分相等技术，用于区分和表征基因组中的单个等位基因，对于确认精确编辑和避免嵌合体或部分编辑的植物至关重要。这些方法需要高通量测序和先进的生物信息学工具，增加了验证的复杂性和成本（Chen等人，2024年）。弥合实验室成功与田间应用之间的差距仍然是一个关键瓶颈。必须在多种环境中验证产量、胁迫耐受性和采后表现等性状。参与式田间试验，涉及与农民和当地利益相关者的合作，已被证明在木薯等作物中有效，用于评估实际条件下的性状表现并提高采用率（Sánchez，2024年）。为了加速应用，需要开放访问的基因组编辑工具包和平台，包括公开可用的CRISPR载体系统、基因组数据库和人工智能辅助的功能基因组学资源，这些资源整合了多组学数据以识别关键调控目标并指导编辑策略。诸如开放CRISPR库和作物特定基因组数据库等倡议正在帮助普及基因组编辑技术的使用，特别是对于公共部门的育种计划（Zhou等人，2024年；Li等人，2026年）。最后，协调基因组编辑的监管框架和更清晰的指导方针对于全球范围内的采用至关重要。研究人员、政策制定者和利益相关者之间的协作对于确保基因组编辑技术在根茎类作物中的安全、公平和高效应用是必要的（Sánchez，2024年；Tachikawa和Matsuo，2024年）。持续改进转化效率、递送系统和再生协议对于将基因组编辑的进步从实验室研究转化为田间作物改良至关重要。

6.1 新兴的概念进展

根茎类作物基因组编辑的未来进展将依赖于从单基因修饰向系统级基因组工程的范式转变（Kaniganti等人，2026年）。虽然早期的应用主要集中在靶向基因敲除上，但基于CRISPR技术的最新进展凸显了协调操纵多个位点的潜力，使得在复杂作物系统中实现更精确和可扩展的性状工程成为可能（Chen等人，2024年；Tripathi等人，2024年）。其中一个最有前景的方向是多重基因组编辑，它允许同时修改途径内的多个基因或调控元件。这种方法对于改进复杂性状尤为重要，如块茎发育、产量稳定性和非生物胁迫耐受性，这些性状涉及多个基因和途径的协调调控。多重基因组编辑通过使用同时针对多个位点的多个引导RNA来实现，在作物系统中已得到验证，以促进协调的性状修改（Wang等人，2017年；Kieu等人，2021年）。引导RNA设计、递送系统和编辑效率的进步进一步支持了在无性繁殖作物中实际实施多重策略，这一点在最近的研究和综述中得到了强调（Chen等人，2024年；Tripathi等人，2024年）。同时，包括碱基编辑和首发编辑在内的精准编辑技术通过允许在不引发双链断裂的情况下进行靶向核苷酸替换，扩展了基因组工程的范围。这些工具允许精细调整基因功能和调控序列，从而在最小化非预期基因组改变的同时更好地控制性状表达（Chen等人，2024年；Perroud等人，2022年）。这种精确性在无性繁殖的RTC中特别有利，因为在这些作物中保持优良的遗传背景至关重要。另一个新兴方向是结合人工智能引导的目标发现和多组学方法，这些方法结合了基因组、转录组和代谢组数据集来识别关键调控基因和网络。这些数据驱动的框架提高了目标选择的准确性，并使得基因组编辑策略的设计更加合理，从而加速了改良作物品种的开发（Li等人，2026年；Chen等人，2024年）。此外，在多倍体基因组中对特定等位基因的编辑代表了一个关键进展，对于土豆和甘薯等根茎类作物尤为重要，因为这些作物的多个基因拷贝和高杂合性使得传统编辑方法复杂化。针对特定等位基因的定向修饰可以在不完全敲除基因的情况下精细调整基因剂量和功能，从而保留有益的等位基因变异，同时优化性状表现（Tripathi等人，2024年）。总体而言，这些新兴创新标志着从传统的“基因编辑”向“基因组设计”的转变，在这种转变中，基因、调控元件和生物网络的协调操纵使得能够合理设计复杂性状。这种概念上的转变对于在变化的气候条件下充分利用基因组编辑技术来提高根茎类作物的生产力、抗逆性和品质至关重要（Chen等人，2024年；Tripathi等人，2024年）。

6.2 未来的研究重点

为了充分实现根茎类作物中基因组编辑的潜力，必须解决几个关键的研究重点。首要的重点应该是开发不受基因型影响的转化系统，这将使得在不同品种中实现高效编辑成为可能，包括农民偏好的和难以改造的基因型。当前的转化方案仍然高度依赖于基因型，继续限制了基因组编辑技术在许多根茎类作物中的可扩展性和实际应用（Tripathi等人，2024年；Chen等人，2024年）。另一个关键优先事项是优化多倍体作物中的精准编辑技术，尤其是Prime Editing技术。虽然Prime Editing技术能够在不引发双链断裂的情况下引入精确的核苷酸替代和小插入，但在马铃薯和甘薯等复杂的多倍体基因组中的效率仍然相对较低，需要进一步改进（Perroud等人，2022年；Chen等人，2024年）。将快速育种与基因组编辑结合使用，为加速作物改良提供了额外的机会。通过缩短世代周期并实现对编辑后等位基因的快速固定和评估，这种组合方法有潜力显著减少培育改良根茎类作物品种所需的时间，特别是在育种周期较长的作物中（Tripathi等人，2024年）。在田间尺度上的表型研究，尤其是对地下性状的研究也至关重要。用于根系结构、块茎发育和采后性状的高通量和非破坏性表型分析工具仍然不发达，这限制了在实际田间条件下评估基因组编辑植株的能力。改进的表型分析平台对于将基因型与表型联系起来以及验证不同环境下的性状表现至关重要（Chen等人，2024年）。此外，开发无转基因的基因组编辑技术对于提高公众接受度和促进商业化也至关重要。无DNA编辑方法，如核糖核蛋白（RNP）介导的输送和瞬时表达系统，可以降低监管障碍并提高公众接受度，特别是在对转基因生物政策严格的地区（Tripathi等人，2024年；Sánchez，2024年）。重要的是，未来的研究必须超越实验室和温室研究，包括多环境下的田间验证和社会经济影响评估。许多关于根茎类作物的基因组编辑研究仍局限于受控条件下进行，缺乏对产量稳定性、抗逆性和农民采纳情况的充分评估。解决这些不足对于将基因组编辑创新转化为可持续的农业成果并确保其对小规模农业系统的相关性至关重要（Sánchez，2024年；Friedrichs等人，2022年）。

7 基因组编辑的监管复杂性
根茎类作物的基因组编辑监管框架因国家而异，给研究、商业化和国际贸易带来了挑战。在一些国家，如美国、阿根廷和日本，不含外来DNA的基因组编辑作物通常不受严格的转基因生物（GMO）法规的约束。相比之下，欧盟根据现行的GMO法规对大多数基因组编辑作物进行监管，使其必须经过广泛的风险评估和审批流程（Tachikawa和Matsuo，2024年；Sánchez，2024年）。这种监管不一致性给开发者带来了不确定性，并限制了基因组编辑技术的全球应用。根茎类作物由于其生物学特性（包括无性繁殖、多倍体基因组和高遗传多样性）而面临额外的监管挑战，这些特性使得分子特征分析和编辑后等位基因的检测变得更加复杂。这些复杂性增加了生物安全评估的负担，尤其是在确认没有意外编辑或脱靶效应方面（Chen等人，2024年）。公众的看法对基因组编辑作物的采纳也起着关键作用。研究表明，接受度取决于人们对潜在益处的认知、透明度以及对监管机构的信任。例如，为消费者或营养效益而开发的基因组编辑作物往往比那些主要有利于生产者的作物更受欢迎（Sp?k等人，2022年；Sánchez，2024年）。在许多发展中国家，意识和沟通障碍进一步影响了采纳情况。基础设施和能力的限制仍然是许多根茎类作物生产国家的重大障碍，包括有限的监管专业知识、缺乏标准化的检测系统以及不足的分子特征分析和生物安全评估实验室设施。这些差距可能会延迟审批流程，并限制国家项目有效评估和部署基因组编辑作物的能力（Tachikawa和Matsuo，2024年）。为了解决这些挑战，需要采取更具体和协调的行动，包括：（i）制定区分转基因和无DNA基因组编辑方法的统一、基于科学的监管框架；（ii）建立区域监管中心和共享的生物安全基础设施以支持能力有限的国家；（iii）实施透明的沟通策略和利益相关者参与计划以提高公众信任；（iv）推广开放许可模式和公共部门的育种计划，以确保公平获取基因组编辑技术。总体而言，这些措施将有助于根茎类作物中负责任和公平地部署基因组编辑技术，确保技术进步能为全球的农民和消费者带来实质性 benefit。

8 结论
基因组编辑已成为一种强大的工具，通过精确修改控制疾病抗性、代谢途径和质量性状的基因来改善根茎类作物。在不同作物系统中，成功的应用主要集中在三种主要机制策略上：破坏易感基因以提高疾病抗性；修改代谢途径以改善淀粉成分和氰苷含量等质量性状；以及编辑调控元件以微调基因表达。与传统育种方法相比，这些方法的优势在于可以直接改良优良品种而无需大量回交。尽管取得了这些进展，但仍存在几个关键差距。大多数关于根茎类作物的基因组编辑研究集中在单一基因目标上，而产量、抗逆性和储存稳定性等关键农艺性状则受复杂的多基因网络调控。此外，转化效率、再生能力和多倍体基因组中的精准编辑方面的限制继续制约了技术的广泛应用。缺乏可靠的田间验证和社会经济评估进一步限制了从实验室研究到实际应用的转化。要解决这些挑战，需要转向多基因组和系统水平的基因组工程，以实现复杂性状的协调修饰。未来的研究应优先考虑（i）开发基因型独立的转化系统；（ii）优化多倍体作物中的精准编辑工具（如碱基编辑器和Prime Editor）；（iii）将基因组编辑与快速育种和高通量表型分析相结合；（iv）实施多环境田间试验以验证性能和稳定性。同时，加强监管透明度、提高公众参与度以及通过开放平台扩大对基因组编辑技术的获取将对于广泛采纳至关重要。总的来说，这些进展标志着从基因编辑向基因组设计的转变，在这种模式下，通过协调和知识驱动的方式操纵基因网络，可以实现对根茎类作物的可持续和有韧性的改良，以应对全球粮食安全挑战。

致谢
本研究成果的开放获取由埃塞俄比亚Adama科技大学的应用自然科学学院提供支持。人工智能使用声明：人工智能（AI）工具（ChatGPT）在有限程度上被用来协助手稿的语言润色。资金
作者无需报告任何信息。利益冲突
作者声明没有利益冲突。数据可用性声明
作者无需报告任何信息。