《Discover Life》：Recent advances in genome editing technologies for improvement of ornamental crops and their regulatory perspectives
生物技术的创新性发展，如基因编辑，已成为在各种观赏作物中精确且成功地操纵不同性状的广泛有用的工具。前沿基因修饰系统的最新进展为分子生物学家提供了一个强大的平台，能够在植物基因组内精确地修饰目标基因。这一进步既现代又充满前景。凭借其对植物基因组的精确编辑和定向修饰，基因组编辑彻底改变了植物世界，包括模式植物以及园艺和农业作物。观赏植物中的基因编辑研究主要集中在花型、花色、瓶插寿命和标记基因等性状上，基因组编辑工具能够对这些植物的遗传组成进行精确修饰。最近，研究人员探索了多种基因组编辑工具来编辑简单和复杂的基因组。本综述深入探讨了CRISPR/Cas9在各类观赏植物中的多样化应用，将其与其他基因组编辑工具进行了比较，并概述了其机制、局限性和潜在的未来发展。
本文系统评述了基因组编辑技术，特别是CRISPR/Cas9系统，在观赏植物遗传改良中的应用现状、技术挑战、前沿策略及其监管框架。
**引言**
花卉作物因其美学吸引力，在园艺体系中具有巨大的经济价值，切花品种如康乃馨、菊花、郁金香和玫瑰在园艺产业中不可或缺。尽管作为食物并无用途，观赏植物也因其美丽的花朵而被人们保留。消费者对新品种在形态、颜色和香味上的多样需求，导致了对独特装饰植物的持续需求，这使得观赏植物的经济生命周期远短于其他作物。长久以来，为获得新的装饰植物品种，一直采用包括突变育种和杂交在内的各种传统育种技术。尽管这些技术在创造丰富的花色和形态以及增强植物结构（如抗病性）方面被证明是有效的，但在应用于观赏植物时，由于其高度的杂合性导致的复杂遗传模式以及某些情况下的多倍体性，它们面临着局限性和缺点。因此，需要新的观赏植物生产方法以实现进一步发展。在科学研究领域，被称为“CRISPR（常与Cas9蛋白联用）”的基因组编辑技术已成为最成功的基因组编辑技术之一，在精确性和效率方面超越了其他技术，如锌指核酸酶（ZFNs）和转录激活因子样效应核酸酶（TALENs）。其成功应用于多种作物的众多基因，催生了具有增强特性的新品种。迄今为止，CRISPR/Cas9技术已广泛用于推进番茄、马铃薯、大豆、苹果、香蕉、水稻、玉米和小麦等作物的开发。随着CRISPR/Cas9系统应用的不断进步，包括核苷酸替换工具和CRISPR-Cpf1的开发，这一基因组编辑技术在提升作物育种努力方面正变得越来越先进和高效。本文详细介绍了CRISPR/Cas系统的起源和机制，以及其在部分观赏植物中应用的当前进展和后果。
国际花卉产业是园艺业中增长最快的分支之一，为国际贸易和国民经济带来了可观的回报。根据最新的市场报告，全球观赏植物市场规模达数十亿美元，并随着城市化、景观美化和消费者对审美愉悦植物的追求而不断增长。装饰植物的主要生产国和出口国是荷兰、哥伦比亚、肯尼亚、厄瓜多尔和中国，一些新兴市场如印度也经历了巨大的增长。花卉栽培现在已成为印度商业园艺的重要组成部分，政府通过国家园艺使命和园艺综合发展使命等努力予以推动。玫瑰、菊花、万寿菊、兰花、百合和非洲菊等观赏作物的生产已变得具有经济重要性，因为它们在全球范围内用于景观美化、宗教活动、香水市场和切花市场。
尽管具有商业意义，但观赏植物的遗传改良仍然非常困难，原因在于其复杂的生物学特性，如多倍体性、杂合性、高度杂合性、长繁殖周期和自交不亲和性。大多数观赏物种具有庞大且极其复杂的基因组，这使得传统育种方法耗时且效率低下。多倍体基因组通常以多个基因拷贝为特征，这使性状转移复杂化并抑制了传统育种技术的使用。此外，这确保了大量的杂合性，导致分离模式不稳定，无法开发出具有理想性状的稳定栽培品种。这些限制导致了对分子育种中尖端技术的高需求。CRISPR/Cas系统和其他基因组编辑工具为直接修饰与理想观赏特性相关的目标基因提供了完美且有效的方法，从而加速育种计划并允许创造具有更好美学和农艺特性的新品种。
**递送和转化系统**
在观赏植物中探索CRISPR/Cas9系统至关重要，因为特定物种的遗传信息有限且其经济意义相对较低。各种研究集中在增强观赏植物的性状，如形态、颜色、香味、抗逆性和抗病性。研究表明，CRISPR/Cas9在模式生物和关键作物物种中均具有促进基因组修饰的潜力，与传统育种方法相比具有明显优势。然而，将基因组编辑技术应用于园艺作物仍面临挑战。CRISPR/Cas9系统是当前最突出的基因工程技术之一。最初在细菌和古细菌中发现，它作为防御机制抵抗外来病毒入侵。当病毒入侵时，Cas9蛋白识别外来病毒并定位到原间隔序列邻近基序（PAM）区域。PAM附近的DNA序列被识别为潜在的原间隔序列。在其他酶的协同作用下，Cas9从外源DNA中切割该片段，并将原间隔序列整合到附近CRISPR序列引导区的下游。随后，DNA修复机制弥合这一缺口，将一组新的外来间隔序列整合到基因组序列中。
除了传统的基因修饰方法（如基因过表达和RNA沉默）外，第一代基因组编辑工具——锌指核酸酶（ZFNs）于1996年推出，并已应用于多个物种。然而，ZFNs的使用不仅需要精心设计和合成新的ZFNs，还需要验证其功能，这涉及耗时的筛选过程。转录激活因子样效应核酸酶（TALENs）作为ZFNs的替代基因组编辑工具已经出现，并且设计起来明显更简单。更新的基因组编辑技术，如CRISPR相关9的成簇规律间隔短回文重复序列（CRISPR-Cas9）和来自普雷沃菌和弗朗西斯菌的CRISPR 1（CRISPR-Cpf1），目前正在开发用于多种生物的基因操作，包括观赏植物物种。与TALENs和ZFNs不同，CRISPR系统作为源自细菌免疫系统的RNA引导的DNA内切核酸酶发挥作用。与ZFNs和TALENs相比，CRISPR在设计简单性和成本效益方面具有显著优势。
尽管基因组编辑工具在观赏植物物种中的应用成果相对有限，但它们是有前景的。特别是在某些物种如矮牵牛和甘薯中，未观察到脱靶突变，在菊花中证明了对多个目标基因拷贝的有效突变。总体而言，CRISPR/Cas9基因组编辑工具作为一种强大的策略，在广泛的观赏植物物种中进行遗传修饰方面具有巨大潜力。CRISPR/Cas9确实已经改变了科学领域，并被认为是最有前途的基因组编辑技术之一。其易用性使其区别于ZFNs和TALENs等其他工具。CRISPR/Cas9系统代表了农业科学研究中植物育种技术的突破，在以可持续方式解决全球粮食供应问题方面具有巨大潜力，部分归因于其成本效益和高效率。随着基础作物科学的持续进步，CRISPR/Cas9系统的使用促进了水果、蔬菜和观赏植物的改良。观赏植物育种的主要目标包括改善开花和花期持久性，同时改变花型、颜色变化和香味。最新的基因组编辑技术为探索基因功能和创造新品种提供了令人兴奋的可能性。
**性状特异性在花卉栽培中的应用（花色、香味、瓶插寿命和抗逆性）**
以双链断裂（DSBs）修复为核心的CRISPR/Cas9系统已成为植物中靶向基因组诱变的主要方法。值得注意的是，DSB修复途径的效率在不同物种和细胞类型之间差异显著，因此需要仔细评估CRISPR/Cas9系统对每种目标植物物种的适用性。遗憾的是，其在观赏植物中的发展受到限制，主要因为单个观赏物种的经济价值相对较低，且商业栽培品种的多样性远高于其他作物。此外，为每种观赏植物建立适当的表达方法和目标序列配置至关重要。然而，大多数观赏植物缺乏全面的全基因组信息。目前仅有六个成功编辑观赏植物基因组的案例记录。首批研究是在矮牵牛（Petunia hybrida）上进行的，这是一种广泛种植的花坛植物物种，尤其在美国和欧洲，常用于花色和花序生长的研究。矮牵牛杂交种是腋花矮牵牛（Petunia axillaris，2n = 2x = 14）和膨胀矮牵牛（Petunia inflata，2n = 2x = 14）杂交的产物，两者都有完整的基因组序列。通过根癌农杆菌介导的转化，研究人员修饰了二倍体矮牵牛的八氢番茄红素脱氢酶（PDS）基因，导致55.6%-87.5%的再生芽出现白化突变体。
牵牛花（Ipomoea nil）是首个针对花部性状进行基因组编辑的实例。这种自花授粉植物在日本作为传统花卉栽培物种具有文化意义，其基因组序列已成功组装。他们利用CRISPR/Cas9系统，通过根癌农杆菌介导的转化，靶向二氢黄酮醇-4-还原酶-B（DFR-B）基因，导致突变植物开白花而非通常的紫花。据报道，超过三分之一的再生植物表现出无效突变体表型。此外，嵌合现象偶尔会导致中间花色或扇形花斑，尽管嵌合植物比无效突变体表型更少见。矮牵牛和牵牛花是研究花部性状的优秀模式植物，各种自然发生的突变花被用于遗传学研究。迄今为止，从突变体品系中选择所需特性的能力仅限于传统方法。然而，随着基因组测序和编辑技术的发展，可以快速开发出具有所需性状的突变植物。例如，在牵牛花中，使用CRISPR/Cas9系统成功产生了类胡萝卜素裂解双加氧酶4（CCD4）的敲除突变体，极大地加速了花部性状的研究。
铁皮石斛是一种兰科植物，在具有观赏价值的中国药用植物中位居前列；兰科是开花植物最大的家族。尽管其缓慢的生长速度阻碍了常规育种方法，但研究人员已经能够证明在铁皮石斛中使用CRISPR/Cas9技术的成功，该技术靶向参与木质纤维素生产的五个基因，突显了研究多倍体植物基因功能的可能性。在多倍体植物中创建具有同时突变的基因组编辑植物具有挑战性，因为在每个目标位点发生独立的DSB和修复事件会增加突变风险。菊花（Chrysanthemum morifolium）基因组尺寸大（范围从12.4到24.8 Gbp），意味着其基因组信息不完整，因此需要其他基因组编辑技术。科学家们寻找了另一种方法，专注于编辑多拷贝的转基因而不是内源基因，并在转基因菊花植物中引发突变。基因组编辑是研究基因功能的有前途的工具，特别是在多倍体植物中。
使用基因组编辑育成玫瑰和菊花等观赏植物的主要挑战是转基因的分离。为了解决这个问题，需要开发不整合Cas9和sgRNA基因的基因组编辑方法。原生质体分离、粒子轰击和核糖核蛋白复合物等技术可以在不需要外源遗传物质的情况下引入突变，并为精确育种提供了有前途的领域。尽管需要更多的测试和技术发展，但使用基因组编辑工具在重要观赏物种中实现同时突变而不整合转基因现在是可能的，从而为彻底的远缘育种开辟了道路。
**2.1 观赏植物基因组编辑的最新动态**
已经使用了多种育种方法来开发更好的观赏植物品种。像杂交和诱变育种这样的传统方法在过去为生产具有不同花色、形态和植物结构以及增强抗病性的新品种发挥了主要作用。尽管这些技术有用，但当应用于观赏作物时，它们有几个局限性。许多观赏物种具有高水平的杂合性、复杂的遗传模式和多倍体基因组，这使得育种结果难以预测，并导致性状选择效率低下。因此，开发替代和更精确的策略对于观赏植物的改良已成为当务之急。随着基因组编辑技术的最新进展，更精确地修饰植物基因组成为可能。DNA测序技术和遗传分析工具的进步进一步改善了这一点，为许多具有重要农业价值的植物物种创建了大量的生物信息学资源。如上所述，已经开发出多种基因组编辑工具，CRISPR–Cas系统应用的持续进展为观赏植物育种提供了新的选择。大量研究已经进行，以增强关键的花卉性状，如花色、大小、形状、香味、抗病性和采后寿命。这些努力展示了基因组编辑作为一种创新方法在观赏植物研究和品种开发中日益增长的潜力。
然而，基因组编辑技术在观赏植物中的应用仍然具有挑战性，特别是在缺乏完善基因组序列信息的物种中。因此，只有有限数量的研究成功地在这些作物中应用了基于CRISPR–Cas的编辑。此外，一些具有重要商业价值的观赏植物，如菊花（六倍体）和玫瑰（四倍体），具有高度多倍体的基因组，需要更高效和精确的基因编辑系统才能实现理想的遗传修饰。
矮牵牛是一种在世界范围内广泛栽培的重要经济观赏植物，是首批展示CRISPR-Cas9介导的基因组编辑的观赏物种之一。在矮牵牛杂交种中，研究人员通过将RNA引导的内切核酸酶核糖核蛋白（RGEN-RNPs）递送到原生质体细胞中，成功地在硝酸还原酶基因（PhNR）中产生了靶向突变。类似地，八氢番茄红素脱氢酶基因（PhPDS）的靶向改变产生了预期的白化表型，这是由于类胡萝卜素生物合成的中断。在膨胀矮牵牛中，使用多顺反子tRNA–gRNA（PTG）策略应用了CRISPR-Cas9系统，在编码Skp1–Cullin–F-box（SCF）泛素连接酶复合物组分的PiSSK1基因中产生了移码插入或缺失。这种基于PTG的CRISPR–Cas方法利用内源性tRNA加工机制，从单个转录本中产生多个向导RNA。
基因组编辑也已在牵牛花中成功进行。使用名为CRISPR-Cas9的基因组编辑工具，研究人员靶向了EPHEMERAL1（EPH1）基因，该基因编码一个参与调节花瓣衰老的NAC转录因子。该基因的突变导致了花瓣的延迟衰老。花色是观赏植物最重要的商业属性之一。花的着色主要归因于黄酮类、类胡萝卜素和甜菜碱等化合物。基因组编辑技术正越来越多地被用于修饰这些色素途径，以产生新的颜色变化。早期的成功案例之一是使用II型系统，称为成簇规律间隔短回文重复序列（CRSP）系统（CRP）与Cas9酶，在牵牛花的二氢黄酮醇-4-还原酶（DFR）基因中进行诱变，导致了花色图案的变化。在随后的研究中，对类胡萝卜素裂解双加氧酶4（CCD4）基因的靶向编辑导致牵牛花突变体植物产生淡黄色花瓣。类似地，通过基因编辑工具crRNA/Cas9对蓝猪耳（Torenia fournieri）中的黄烷酮3-羟化酶（F3H）基因进行操作，导致花从淡蓝色变为几乎白色，花色素发生了改变。F3H基因编码黄酮生物合成途径中的一个关键酶。最近，基因组编辑研究已扩展到兰花，兰花在花卉产业的经济价值方面占据主要地位。尽管许多兰花物种的基因组信息仍然有限，但已有报道称使用Cas9系统在铁皮石斛中进行靶向基因组修饰是成功的，证明了在兰花中进行靶向基因组修饰的可行性。
此外，使用CRISPR-Cas9技术已成功在蝴蝶兰（Phalaenopsis equestris）中编辑了在花发育和启动中起关键作用的MADS-box基因。菊花是另一种重要的经济观赏作物，广泛种植用于花卉产业。然而，使用基因修饰中称为遗传工程组件组合的系统，即所谓的I类系统（CRP/CAS系统）对菊花进行基因编辑是困难的，因为其基因组尺寸大且倍性水平高。因此，只有少数研究集中在探索使用Cas9和Cas1酶的技术对该物种进行基因编辑。总体而言，名为CRISPR/Cas9的新型分子工具的开发，为在观赏作物中进行定向遗传修饰提供了一种高效且有前途的手段。通过编辑与开花特性相关的基因（例如开花时间、花朵数量、花结构、色素沉着、香味、寿命），有可能创造新的栽培品种以满足不断变化的市场需求，并使种植者和消费者受益。因此，关键基因的靶向操作有可能成为增强园艺植物理想特性和巩固观赏作物全球竞争力的强大途径。尽管具有潜在益处，但基于所谓“CRISPR/Cas9”基因编辑系统的实施仍受到各种技术限制。植物基因组编辑通常基于通过基于组织培养的转化系统进行基因递送。目前，根癌农杆菌介导的转化是引入基因组编辑构建体最广泛使用和最有效的方法。然而，它只能用于某些植物物种。因此，开发独立于组织培养植物再生的替代递送方法至关重要。尽管基于组织培养的方法可用于生产基因组编辑植物，但它们通常耗时，并可能产生无意突变或体细胞克隆变异。这些限制减缓了CRISPR/Cas9技术在植物育种中应用的更广泛采用。因此，对组织培养独立的递送系统的研究可以大大提高基因组编辑在观赏植物中的效率和适用性。
除了传统的基因组编辑方法外，还开发了许多利用该方法的、调控基因表达但非基因组编辑的先进技术。其中一种方法称为CRISPR干扰（CRISPRi），它允许靶向抑制基因活性。该系统使用催化失活的Cas9蛋白（dCas9），它具有核酸酶活性但不切割，但保留了在单向导RNA（sgRNA）引导下结合特定DNA序列的能力。产生的dCas9-sgRNA复合物与目标基因的启动子或编码区结合，阻断转录机器的结合或进程，从而抑制基因表达。该策略提供了一种可逆且精确的方式来调节基因活性，而不会在DNA中引入双链断裂。在观赏植物中，例如，可以使用CRISPRi来关闭那些不理想的基因，例如那些导致花瓣快速衰老、乙烯过量产生或其他对花卉品质有负面影响的代谢基因。此类应用可能在改善花寿命、着色和香味轮廓优化方面发挥作用。另一个增加基于Cas9酶系统潜力的新平台是CRISPR-SunTag系统，它能够对特定基因进行强大的转录激活。在这种方法中，dCas9蛋白与一组重复肽阵列融合，该阵列能够通过抗体-肽相互作用募集多个转录激活因子。这种扩增策略在所需的基因组位点实现了高水平的基因表达。在观赏植物育种的背景下，基因编辑系统（CRISPR-SunTag系统）可用于开启负责有用园艺性状的基因，例如增加色素产量、更浓郁的香味、更高的抗逆性或更长的花期。与传统的转基因过表达技术相比，该系统是在植物中开启基因表达的一种更准确、更可控的方式。
**2.2 观赏植物递送方法的挑战**
最常用的基因编辑试剂递送方法是使用根癌农杆菌介导的转化；然而，这种方法的宿主范围有限，且多种植物物种对基于农杆菌的转化具有抗性。或者，使用发根农杆菌代表了一种有效的方法来克服再生过程，因为它可以大大减少从试剂递送到突变评估之间的时间，并增加可进行遗传修饰的植物物种数量。CRISPR/Cas9基因组编辑的另一个主要弱点是它可能受到脱靶效应的影响，导致可能影响其他重要农艺性状的非预期遗传改变。在大多数基因组编辑技术中，Cas9核酸酶和单向导RNA（sgRNA）的DNA构建体通过转化技术转导到植物细胞中，并可以整合到植物基因组中。在这些DNA构建体整合后，细胞机器持续转录sgRNA和Cas9蛋白，这会增加非预期脱靶编辑事件的可能性。为了降低这些风险，已考虑了其他方法，包括瞬时表达系统或Cas9-sgRNA核糖核蛋白（RNP）复合物递送。在这些策略中，CRISPR元件不是永久嵌入宿主细胞基因组的DNA中；因此，这些组分在细胞中的短暂存在，而没有核酸酶持久整合到DNA中，降低了CRISPR组分在细胞中的潜在表达，从而限制了脱靶突变的发生。可以通过开发高保真sgRNA设计以及选择适当的Cas9酶和基因组编辑工具来最小化脱靶效应。将校对酶与Cas9结合能够纠正由脱靶事件引起的错误。
**2.3 无DNA基因组编辑和组织培养独立的递送**
植物生物技术的最新进展导致了组织培养独立的基因组编辑方法的开发，这代表了从依赖基因型的体外再生传统转化策略的重大转变。这些新兴方法旨在通过实现直接且可遗传的遗传修饰，而无需广泛的组织培养程序，来克服植物基因组工程的主要瓶颈之一。已经测试了许多递送策略来实现这一目标，包括分生组织靶向编辑、发育调节因子（DR）诱导的器官发生和基于生殖途径的策略。这些策略使得基因组编辑能够直接在能够将编辑过的遗传内容传递给下一代的植物组织中进行。尽管这些方法的潜力很高，但其效率和适用性因植物物种而异，每种方法的具体优势和局限性取决于目标作物的生物学特性。无组织培养基因组编辑的成功在很大程度上取决于递送系统将基因编辑工具（CRP）组分引入植物生物体细胞的效率。目前可用的递送平台在物种兼容性、编辑效率以及它们可以携带的遗传载荷大小方面差异很大。病毒载体已被广泛用于递送编辑组分；然而，其应用通常因其有限的载荷能力而受到限制。同样，基于纳米颗粒的递送系统和物理转化技术需要进一步优化，以在最小细胞损伤的情况下实现改进的组织靶向。因此，该领域的未来发展预计将围绕使用更紧凑的基因组编辑系统（如Cas9和TnpB）展开，这些系统更适合通过病毒载体递送。
此外，基于生物材料的载体（如脂质纳米颗粒和细胞穿透肽）的进步可能进一步增强细胞摄取，并能够将编辑组分递送到生殖系组织中，从而增加可遗传基因组修饰的机会。除了基础的基因破坏外，现代基因组编辑技术的目标通常是进行精确的遗传编辑，包括碱基编辑、引导编辑和靶向基因插入。这些技术允许在不引起双链断裂的情况下对核苷酸进行精确改变，提高了编辑的准确性，从而减少了基因组的非预期改变。合成生物学工具的整合也被期望提高基因组编辑过程的精度和控制力。例如，自消除基因回路可用于产生无转基因的编辑植物，而组织特异性启动子和诱导表达系统可用于将编辑活性限制在特定组织或发育阶段。此外，使用具有将编辑组分运输到整个植物组织中潜力的移动RNA元素，可能实现对分生组织区域的有效靶向，从而支持无需稳定基因组整合的可遗传基因组修饰。尽管技术取得了这些进步，但无组织培养基因组编辑技术的使用仍然受到某些生物和技术方面的限制。分生组织的结构、细胞的转化能力、病毒的移动性以及DNA修复机制在不同植物物种中差异很大，所有这些方面都会影响基因组编辑的效率。此外，生殖生物学可能为递送编辑组分提供新的机会，例如在花粉管生长和早期胚胎发生过程中。基于单倍体诱导介导的编辑策略也已被提出以加速育种，但由于许多因素，包括基因型依赖的单倍体诱导效率、多倍体生物的基因组复杂性以及为每种作物物种开发优化的单倍体诱导品系，其采用仍然困难。解决这些限制对于提高基因组编辑技术在广泛观赏作物中的应用，以及实现对复杂性状的高效修饰至关重要。
随着这些更复杂的基因组编辑方法接近农业中的实际应用，监管和生物安全问题将变得更加重要。使用重组病毒载体和其他病毒载体及递送系统引起了对可能扩散到环境和非预期生态效应的关注。因此，需要制定明确的监管框架和风险评估策略，以确保基因组编辑观赏植物的安全部署，从而促进植物生物技术创新。
**2.4 AI和机器学习（ML）在提高CRISPR精度和遗传稳定性方面的作用**
涉及人工智能（AI）和机器学习（ML）的最新进展极大地提高了基于CRISPR的基因组编辑技术的效率和精度。CRISPR/Cas系统容易发生脱靶突变，是这些系统用于靶向基因组特定区域时出现的主要问题之一。使用AI和ML实施的计算模型也越来越多地用于分析大规模基因组数据并预测最具特异性和最低活性的向导RNA（gRNA）序列。这些预测算法测量各种参数，如核苷酸组成、热力学稳定性、序列背景和染色质可及性，以确定基因组内高效且准确的目标位点。
机器学习系统也在设计和优化CRISPR系统方面发挥了作用，通过优化向导RNA结构和Cas蛋白版本。通过分析基因组编辑实验的实验数据，机器学习模型（如随机森林（RF）、支持向量机（SVM）、人工神经网络（ANN）、卷积神经网络（CNN）、DeepSpCas9等）可以预测编辑过程的效率，并帮助科学家识别在特定植物物种中最有效的gRNA-Cas组合。此外，启用了AI的工具用于在实际实验之前筛选基因组以确定是否存在脱靶位点，从而提高基因组编辑实验的总体可靠性和安全性。
此外，AI和ML方法也被用于提高编辑植物的遗传稳定性，预测CRISPR诱导的双链断裂后的DNA修复结果。这些模型能够预测由各种DNA修复过程（包括非同源末端连接（NHEJ）和同源定向修复（HDR））产生的插入、缺失或特定核苷酸替换的可能性。利用预测算法和基因组编辑平台，科学家能够制定专注于特定且一致的遗传修饰的计划。反过来，AI和ML与CRISPR技术的结合将导致更快地创造出具有更好特性且非预期遗传修饰案例较少的优良观赏植物品种。
**2.5 监管和生物安全视角**
基因组编辑领域新技术（即CRISPR/Cas系统）的涌现，引发了人们对其在作物（包括观赏植物）改良背景下使用的高度关注。然而，基因组编辑作物的使用也与监管和生物安全因素紧密相关，这些因素在不同国家略有不同。监管框架主要是为了审查可能的环境危害、食品和生态安全以及编辑生物体中外源遗传物质的存在而设计的。与缺乏转基因或外源DNA的传统转基因生物（GMOs）相比，基因组编辑生物在一些司法管辖区通常被给予更宽松的监管方式。例如，在美国、日本、阿根廷和巴西等国家，对于具有微小靶向突变的基因组编辑植物（这些突变接近自然发生的），其法律相对宽松。相反，欧盟现在将基因组编辑作物的使用作为严格的GMOs进行监管，这需要在商业化之前进行全面的生物安全分析。
关于观赏植物，监管因素与粮食作物略有不同，因为这些植物不是用于人类食用，而是用于观赏。然而，环境安全问题不容忽视，尤其是在可能向野生近缘种泄漏基因、生态相互作用以及编辑性状非预期转移到自然生态系统方面。此外，基因组中的脱靶修饰可能引起生物安全方面的担忧，例如对植物生理或生态适应性的非预期遗传改变。为了克服这些风险，已经开发了高保真Cas酶、优化的向导RNA设计以及能够在植物细胞中降低编辑组分持久性的瞬时表达系统。
最近的技术进步，例如使用核糖核蛋白（RNP）复合物进行无DNA基因组编辑、使用纳米颗粒递送载体以及基于病毒的瞬时表达系统，为生产无需永久整合外源DNA的基因组编辑植物提供了令人鼓舞的解决方案。此类方法可以帮助监管机构在许多国家获得批准，因为由此产生的植物可能被视为与使用传统技术培育的植物相当。此外，在任何商业发布之前，严格的分子表征，如基因组测序和脱靶研究，对于维护编辑植物的安全性和稳定性非常重要。
随着基因组编辑技术的不断发展，需要协调国际监管框架，以帮助促进创新，同时不危及生物安全和环境保护。风险评估、可追溯性和标签指南将提供明确的指导方针，并促进基因组编辑观赏植物在园艺学中的负责任引入。最后，制定平衡的监管措施至关重要，这些措施在鼓励科学进步的同时维护环境的完整性，以充分实现将CRISPR基因组编辑应用于我们的经济性观赏作物的应用潜力。
**结论**
在观赏植物领域，一直致力于进行科学研究以培养新特性。与传统育种方法相比，基因组编辑已成为一种有前途的方法，利用分子生物学和遗传学的科学进步，高效且快速地改良性状。尽管传统育种技术无疑为开发主要花型做出了贡献，但当代育种方法通过精确的遗传操作，在显著提高花卉产量和品质方面具有巨大潜力。以CRISPR/Cas系统为代表的基因组编辑工具的出现，提供了一种革命性的手段，能够在指定位置以前所未有的精确度改变DNA序列，为园艺作物（包括观赏花卉）的遗传增强提供了强大途径。消费者和生产者感兴趣的新兴特性包括许多不同的特征，如香味、新颖的花色、花结构/形态的改变、延长的瓶插寿命、增强的香气以及对生物和非生物胁迫的改善耐受性。尽管在多种园艺作物物种中使用CRISPR/Cas系统进行基因编辑取得了显著进展，但其在花卉中的应用相对有限。然而，随着基因编辑理论和技术的不断进步，与观赏植物基因编辑相关的许多限制有望被克服。科学界坚信，随着我们对基因编辑技术的理解和掌握不断进步，通过精确遗传操作改良观赏植物的潜力将继续扩大，为观赏园艺的创新和多样性开辟一个新时代。
