基于遗传增益度量的植物育种中基因编辑影响的再思考

《Food Security》：Rethinking gene editing impact in plant breeding as measured by genetic gain

基因编辑（GEd）在过去十年中极大地改变了精准修改植物基因组的能力，为植物育种提供了新的机遇。尽管基因编辑技术发展迅速，但其对植物育种项目中已实现的遗传增益（genetic gain）的可度量影响仍不明确。这一差距反映的是编辑能力与植物育种的生物学、操作和监管现实之间的不匹配，而非技术局限性或基因编辑作物田间表现不佳的证据。研究人员讨论了基因编辑的关键限制因素，包括基因型依赖的转化、作物大多数农艺性状的多基因（multigenic）性质、与植物育种流程的整合以及监管和社会考量。将基因编辑置于一个系统层面的植物育种框架内，该框架整合了选择策略、快速育种（speed breeding）、先进编辑方法和多样化种质资源的获取，为加速遗传增益提供了一条现实途径。基因编辑（GEd）在过去十年中极大地改变了精准修改植物基因组的能力，为植物育种提供了新的机遇。尽管基因编辑技术发展迅速，但其对植物育种项目中已实现的遗传增益的可度量影响仍不明确。这一差距反映的是编辑能力与植物育种的生物学、操作和监管现实之间的不匹配，而非技术局限性或基因编辑作物田间表现不佳的证据。研究人员讨论了基因编辑的关键限制因素，包括基因型依赖的转化、作物大多数农艺性状的多基因性质、与植物育种流程的整合以及监管和社会考量。将基因编辑置于一个系统层面的植物育种框架内，该框架整合了选择策略、快速育种、先进编辑方法和多样化种质资源的获取，为加速遗传增益提供了一条现实途径。

在全球人口不断增长、气候变化及气候变率加剧的背景下，保障粮食安全需要植物育种领域的创新方法。十余年前基因编辑（gene editing, GEd）技术的出现，从根本上重塑了植物育种领域（Jinek et al., 2012）。该技术能够以前所未有的精准度实现靶向诱变（精确的DNA序列改变）、等位基因替换以及调控修饰。其在作物中的早期应用示范引发了人们对其加速植物育种并增强全球粮食安全潜力的极大乐观情绪。尤其是成簇规律间隔短回文重复序列及其相关蛋白系统（CRISPR–Cas systems）等基因编辑技术，已能够精准修饰决定作物品质性状、植物病虫害及非生物胁迫响应（abiotic stresses）的基因。这一能力共同凸显了基因编辑在提供更具韧性、适应市场且适于气候变化环境的作物方面的巨大潜力。尽管科学证据日益增多，但相对较少的基因编辑品种已获准入或进入商业化进程。虽然基因编辑加速了等位基因变异的产生，但植物育种的成功最终取决于这些等位基因在复杂的植物与种植系统中的有效部署和评估。基因编辑迄今所取得的有限转化影响，反映了技术能力与植物育种的生物学及操作现实之间的错配。取得进展将需要转向一种系统方法，将基因编辑与数量遗传学、多环境田间测试和育种项目设计相结合。这篇观点性文章探讨了如何将基因编辑转化为已实现的遗传增益，并概述了一个将其整合至植物育种流程的系统层面框架。基因编辑相较于传统植物育种具有多重优势。它能够实现对特定位点的精准修饰而不产生连锁累赘（linkage drag，即随目标基因一起遗传的不良性状），加速优良等位基因的传递，并允许开发现有种质资源中不易找到的新变体。这些特性对于主效基因尤为重要。代表性案例展示了其潜力。例如，敲除小麦中的TaMLO基因赋予了对白粉病的持久抗性（Wang et al., 2014）。编辑水稻IPA1基因的启动子增加了每穗粒数（Song et al., 2022）。对野生番茄物种驯化相关基因的多重编辑（multiplex editing）促进了改良理想株型的快速开发（Zs?g?n et al., 2018）。编辑小麦中的天冬酰胺合成酶（TaASN）基因降低了籽粒中的天冬酰胺积累，从而能够开发超低天冬酰胺品系（Kaur et al., 2026）。新兴的碱基编辑（base editors）和引导编辑（prime editors）进一步拓展了编辑的精准度，从而允许进行无转基因修饰并微调数量性状。基因编辑在作物中的一个主要限制在于，植物转化和再生的效率在不同基因型之间差异巨大。有效的编辑需要递送和再生能力，而这在许多作物中仍然具有高度的基因型特异性。优良的育种品系通常难以转化，因此需要先在模式或可转化的基因型中进行编辑，然后通过回交转育导入优良背景中，这需要多年的育种周期，从而削弱了基因编辑带来的时间优势。利用形态发生调节因子（morphogenic regulators，例如Baby boom和Wuschel2）（Lawe et al., 2016）、从头分生组织诱导（de novo meristem induction）（Maher et al., 2020）以及基于病毒的递送系统（Saini et al., 2023）已扩大了转化能力。然而，这些方法仅能应用于有限的作物物种多样性。因此，转化仍是限制基因编辑可扩展性的核心瓶颈。基因编辑可以应用于复杂性状。但基因编辑在具有复杂遗传结构的性状上的应用效果可能难以实现。作物的基因型属性，如潜在产量、干旱适应性和养分利用效率，通常是多基因的（multigenic）；即受许多微效基因座、基因型与环境互作以及上位性（epistasis，基因座间互作）的影响。即使采用多重编辑或调控编辑，其结果仍然是依赖于具体背景且难以预测的。此外，数量性状的功能变异大多存在于调控区域而非编码序列。高通量植物表型分析（high-throughput plant phenotyping）和多组学数据整合是评估编辑等位基因在复杂遗传背景中效果的必要工具。因此，基因编辑本身不太可能匹敌诸如基因组辅助育种（genomics-assisted breeding）等捕获全基因组加性遗传方差的基因组学方法。植物育种是一个多阶段过程，涉及种质筛选、群体构建、多环境田间测试、种子繁殖和品种推广。基因编辑在大多数情况下仅作用于这一流程的早期阶段，并未消除下游约束：编辑系仍需经历广泛的田间测试。若不进行刻意的流程整合，基因编辑有风险仅成为一个额外的上游步骤，而非真正加速遗传增益的工具。现代育种常受限于优良育种品系狭窄的遗传基础。尽管地方品种（landraces）和作物野生近缘种蕴含丰富的多样性，但其利用受到连锁累赘的限制。基因编辑提供了一种替代方案，可将有利等位基因引入优良育种群体。这种“从等位基因挖掘到等位基因重建”（allele mining to allele recreation）的策略使育种者能够绕过传统的回交导入过程，同时保留优良品种的适应性背景。例如，可将从野生近缘种中鉴定出的、决定胁迫耐受性或抗病性的等位基因，精准插入高产品系中，而不引入关联的野生不良性状。其成功关键在于通过基因组学和功能研究预先鉴定出因果变异。基因编辑也能通过使先前难以获取的种质多样性变得可操作，从而提升基因库的价值。基因编辑和植物育种选择方法分别针对作物遗传改良的不同方面。基因编辑能够对特定等位基因（通常是已知功能效应的基因座）进行精准修饰或突变。对于复杂的多基因性状，基因组选择（genomic selection, GS）尤为适用，因为它能够捕获全基因组范围内许多微效基因座的加性遗传方差。对于由一个或少数主效基因控制的性状，标记辅助选择（marker-assisted selection, MAS）能够高效地追踪编辑过的等位基因。将基因编辑与基因组选择或标记辅助选择相结合，使育种者能够在优化更广泛遗传背景的同时，靶向关键等位基因。由于编辑基因座的表型影响往往取决于遗传背景和环境互作，这种整合尤为必要。即使基因编辑成功产生了理想等位基因，等位基因的固定、验证和多环境田间测试所需的时间仍然是主要约束。快速育种（speed breeding），通过延长光周期和控制环境条件，能够显著缩短世代时间并加速育种周期。将基因编辑与快速育种相结合，能够更快速地从编辑设计推进到纯合系和田间评估。这对世代时间长或育种方案复杂的作物尤其有价值。编辑不应被视为一项孤立的创新，而应被视作协调整合等位基因设计、全基因组选择、加速世代更替以及获取多样化遗传资源的一个组成部分。这种整合将焦点从最大化编辑效率转向最大化单位时间内的遗传增益。早期基因编辑技术应用主要集中在基因敲除（gene knockout），通常靶向编码序列以产生功能缺失等位基因。虽然这对单基因性状有效，但这种方法不太适用于受调控变异影响的数量性状。近期进展将焦点从基因破坏转向了等位基因设计（allele design），包括启动子编辑、顺式调控修饰（cis-regulatory modification）、碱基和引导编辑，以及基因表达的微调。这些方法能够产生数量性状变异，与植物育种的需求更为匹配。例如，对番茄发育基因的顺式调控编辑能够设计出如花序构型和果实大小等性状的数量变异（Rodríguez-Leal et al., 2017）。这些方法与大多数农艺性状的数量特性更为契合。基因编辑在战略性地用于引入主效等位基因、从多样化种质中重建有益变体或消除有害等位基因时，其影响力最大。与基因组辅助育种的整合，实现了对靶向基因座和多基因背景的同步优化。成功应以单位时间内的遗传增益来衡量，而非简单地以编辑事件的数量来评估。总结塑造基因编辑在育种系统中对遗传增益贡献的关键因素，并强调了整合至关重要之处。监管政策和公众认知强烈影响着基因编辑的采纳和影响。不同国家对基因编辑作物的分类方式差异显著。一些司法管辖区，如美国和巴西，当不存在外源DNA且其变化原则上可通过常规诱变产生时，会将某些基因编辑植物豁免于类似转基因生物（GMO）的监管。相比之下，欧盟迄今大多将大多数基因组编辑作物置于现行转基因生物法规下进行监管，尽管关于“新型基因组技术”的持续讨论可能会在未来导致差异化的框架。最终，基因编辑通过可持续粮食生产对粮食安全的贡献，在很大程度上取决于中低收入国家（low- and middle-income countries, LMIC）的育种项目能否获得该技术。原因有二：(1) 转化能力、表型分析基础设施和监管明晰度在中低收入国家仍然有限；(2) 全球南方国家在育种目标方面有其自身需求。关于该技术及其风险、益处及其对可持续农业潜在贡献的透明沟通，对于建立和维护对科学及其产品的信任是必要的。监管明晰和社会支持是基因编辑品种能否从实验阶段走向在农民田间广泛种植和采用的关键。基因编辑为植物育种引入了前所未有的精准度，但其变革性潜力受到生物学、操作和社会现实的制约。基因编辑在由主效基因控制的性状（其因果变异已被明确定义）上已展示出成功，随着技术、数据集和育种整合的成熟，其对复杂性状的更广泛影响很可能增加。然而，遗传增益是一个缓慢而长期的过程。只有当编辑过的等位基因经历育种周期和多环境评估后，基因编辑的全部贡献才会显现。一种整合了基因编辑与选择策略、快速育种、下一代编辑技术、高通量植物表型分析以及扩展的遗传多样性的系统方法，为加速遗传增益提供了现实途径。在此背景下，基因编辑最好不被视为一个孤立的工具，而是作为育种系统内一种用于等位基因设计和部署的策略。未来的进展将需要改进的转化系统、可扩展的下一代编辑技术、预测性育种模型以及支持性的监管框架。即使有了这些进步，成功最终仍将取决于将基因编辑嵌入稳健的育种系统，并将编辑与选择策略相协调。尽管基因编辑技术仍在发展中，研究人员建议对于多基因性状，应结合使用基于基因组学的选择与表型选择工具，并将基因编辑保留用于那些由主效、特征明确的基因座控制的性状。