基因编辑技术在抗白粉病小麦育种中的研究进展_宋思.pdf

收稿日期：基金项目：国家社会科学基金重大项目（）作者简介：宋思（），女，硕士，研究方向为粮食安全。通信作者：徐杰（），男，博士，研究方向为粮食安全。基因编辑技术在抗白粉病小麦育种中的研究进展宋 思，徐 杰，赵 霞，周 晶（南京财经大学，粮食安全与战略研究中心 现代粮食流通与安全协同创新中心，江苏南京；上海市粮食和物资储备局，上海）摘 要：综述了基因编辑技术的概念及其在抗白粉病小麦育种中的应用进展，讨论了基因编辑技术在其他作物育种领域中的应用及其面临的挑战，以期为基因编辑技术在我国生物育种领域的研究提供参考。关键词：基因编辑技术；抗白粉病；生物育种 ，（，；，）：,:;中图分类号：文献标志码：文章编号：（）粮安天下，种筑基石。据联合国预测，到本世纪末，全世界人口将达到 亿，在人口不断增加的同时，耕地环境也在不断恶化，届时全球粮食生产在当前基础上增加%才能满足需求，资源和环境的双重约束使得全球粮食安全遭受着更加严峻的考验。然而，采取改进生产技术、改良农作物品种在特定环境中对特定品种产量提升的作用十分有限，要从根本上保障粮食安全，关键在于培育出更适应环境的新品种，而品种改良的核心在于新技术的应用。基因编辑技术作为现代精准生物育种的核心之一，在提高农作物产量、改善农作物品质方面发挥了重要作用。同时，基因编辑技术具有底层技术的高效性，能够使培育过程更加高效，资源利用更加节约，在国内外都掀起了研究热潮，并取得了长足进展，由此推动了现代化农业的发展。基因编辑技术的概念生物技术的迅猛发展催生了分子育种技术，为精准智能育种创造了可能。与传统育种技术相比，精准智能育种技术可以精准地改变想要改变的基因，同时不会改变其他基因，因此大大缩短了育种周期，在 年内即可得到想要的新材料，此外其操作难度相对更低，开发成本也得以降低。精准智能育种具有 个核心因素，即大数据和基因编辑。大数据体现在两端，前端通过构建种质资源库，发掘基因组的信息，把基因组信息跟性状关联起来，找到变异位点，然后开发与之关联的分子标记，这是发掘基因的过程。在发掘基因之后，可以 年第 卷第 期 粮食与油脂将基因与性状关联起来，然后通过基因编辑的手段对基因进行改良或改造，出来新的品种品系再通过大数据，即基因测序的手段进行核验，形成大数据的闭环改造体系。基因编辑技术主要通过识别和剪切 来实现对作物性状的改变。通俗而言，基因编辑技术就像 把有定位系统的“基因剪刀”，可以准确找到自身体内需要修改的基因，并对基因进行修改。以 基 因 编 辑 技 术 为 例，首 先 在 名 为 的系统中去精准定位出需要更改的 序列；接着用名为 的酶，对想要编辑的 位点断开双链后再进行改动，如删除不需要的片段或将有缺陷的片段替换成健康的片段，也可用来替换原片段，使之表现出不同的特性；在修改后，细胞固有的修复机制将会对编辑断裂处的片段修补，从而确保 能够重新连接在一起，形成新的链条。这个方法就像在基因说明书中查找并替换，使作物的 产生微观改变。基因编辑技术在生物育种方面具有较高的安全性，在育种各个环节都有相关的质量控制手段被采取来保障产品安全。首先，把“基因剪刀”递送在植物细胞之前，需要做各种实验检测“剪刀”是否精准；其次，在获得基因编辑植物后，需要通过一系列的方法或技术，如利用全基因组测序技术检查基因编辑组的改变是否与预期一致；最后，在修改结束后，“基因剪刀”不会留在体内，会自我降解，类似医疗中采用的缝合线，因此不会被整合在目标 里，也不会对作物产生影响。基因编辑技术与转基因技术不同，二者本质的差别在于剪切方式不同。转基因是对整个基因片段进行切除，或者是引入外源基因，即插入全新的甚至有可能是不属于该物种的基因片段，属于自然界不可发生的变异，其安全性和对环境的影响还不明确；而基因编辑技术则是对作物自身的基因进行精准定点改变，通过敲除或替换单个或几个碱基，对基因本身进行修饰以达到优化品种的目的，没有外源基因的介入，更像是种类天然突变，因此其培育出的农作物更加稳定安全。基因编辑技术在抗白粉病小麦育种中的应用进展 小麦白粉病小麦白粉病是由小麦白粉菌引起的 种常见性病害。当白粉菌接触到小麦叶片，形成粉状的霉层，这种粉状物很容易随风飘落在健康的小麦上，使健康的小麦也染病；另外在收获后，白粉菌也会落在地面上的叶片或秸秆上，当气候、温度、湿度都合适时，就会再次侵染小麦，形成侵染循环。小麦白粉病对小麦的产量和品质都产生严重危害，从而威胁我国粮食安全。一旦遭受白粉病的危害，小麦的损失将达到总产量的%，某些区域甚至颗粒无收。当前针对小麦白粉病的防治手段主要采用 种，一是用药治理，但是该方法会使残留在空气和土壤中的药剂给环境与人体带来巨大危害，与绿色农业 的发展理念背道而驰；二是选用抗病品种，这种方法在短期内能够有效抗白粉病，但白粉菌在不断变异，一旦小麦的抗病性丧失，白粉病就会再次流行起来并侵染小麦，因此传统育种方式难以从根本上解决小麦白粉病的问题。抗白粉病小麦的研究成果 年中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队率先成功使用名为“”的基因编辑技术对小麦的病感基因进行消除，得到第一批抗白粉病小麦，这也是世界上第一批基因编辑的小麦。随后高彩霞与邱金龙团队合力研究出对白粉病具有广谱持久抗性的材料，该批小麦在后期的田间试验里尽管表现出抗白粉病的性能，但其产量却有所下降，且株高比正常的小麦矮，仍未达到农业生产上的要求。为满足农业生产标准，科学家们在上百株的突变体里进行进一步观察和筛选，最终获得新型 突变体 ，该突变体表现出对白粉菌完全的抗性，同时生长发育和产量正常。高彩霞、邱金龙以及肖军团队致力于通过分析新型 突变体 的分子机制，找出该突变体拥有抗白粉病同时高产的双重特性，发现原因在于有大约 的片段在该突变体的 基因组上被删除，使得上游基因 的表达水平有所上升，从而使感病基因 突变引起的负面表型被克服。这意味着我国形成了一套完整成熟的小麦基因编辑理论，能够实现对小麦感病基因消除的精准操控，在基因编辑育种领域的发展具有里程碑意义，证明基因编辑技术在农作物抗病育种方面具有广阔的应用前景。成果推广当前，我国已在 个主栽小麦品种中创制出抗病且高产的材料，并在北京、石家庄进行了田间试验，结果显示抗病性与产量都有很好表现，尤其产量增幅达到了%以上。这种经过基因编辑既高粮食与油脂 年第 卷第 期抗白粉病又高产的小麦品种，如果在农业生产中得以推广种植，既可以降低农药化学品在田间的使用，减少田间管理，保障粮食和环境安全，又可以增收以满足人口增长需要。此外，基因编辑技术也可以被用于精准地改良小麦的其他品质，如修改小麦的麦麸蛋白质基因，创制出没有面筋的小麦，以供面筋过敏的人群食用；还可创制富含 葡聚糖的小麦，使其具有降低胆固醇和血脂的功效，并通过定制化、功能化的面粉以改善人类的健康水平。基因编辑技术在其他作物育种方面的应用近年来，基因编辑技术已处在国际育种的前沿，世界各国相继培育和批准通过了相关基因编辑产品。欧洲生物公司 利用基因编辑技术培育出高油酸大豆，其油酸含量是普通大豆的 倍。宾夕法尼亚州立大学的植物病理学家杨亦农培育出 种抗褐变蘑菇，具有更长的保质期，能够耐储藏。美国食品药品监督管理局于 年月 日批准将基因编辑猪用于食品和医疗产品，这种猪可以在医疗上为人类移植提供器官和组织，同时肉类过敏者也可以安全食用该猪肉。年英国科学家利用基因编辑技术培育出天门冬酰胺含量更低的小麦，可以使致癌物降低超过%。日本于 年推出 种利用基因编辑技术培育出的富含氨基酸的西红柿，其氨基酸含量是普通西红柿的 倍，具有降压、缓解压力的功能。除此之外，基因编辑培育出的黏玉米、抗褐变土豆、抗旱型水稻 已在多个国家批准并推广。毋庸置疑，在人们对食物品质追求更高的时代背景下，生物技术将会成为未来农业的主要推动力，基因编辑技术被运用到生物育种中是必然趋势。基因编辑技术在生物育种领域面临的挑战当前基因编辑技术在农作物育种方面的应用主要面临着技术层面与政策层面的制约。在技术层面上，一是基因编辑的规模化有待提高，现有的基因编辑技术水准还难以实现同时编辑几十个甚至上百个基因，以迅速整合作物优良基因型；二是高精度的基因编辑效率仍有待提高，我国已能实现基因片段的删除，但定点插入、定点修改基因片段的技术仍需提升；三是能够进行作物转化的品种数量过少，距离利用基因编辑技术直接在商业品种上进行高效编辑仍有一定的发展空间。在政策法规层面，国际上暂未对基因编辑技术培育的产品形成统一的监管标准，不利于基因编辑产品在国际上的流通与推广。以美国、加拿大、巴西等国家为代表，他们奉行实质等同原则，即若无外来，则不作为转基因产品进行监管，态度较为积极开放；而欧盟法规规定基因编辑技术培育的产品仍依据转基因产品管理条例进行严格监管。我国在 年发布“十四五”全国农业农村科技发展规划中明确指出要把高水平农业科技自立自强作为农业农村发展的战略支撑，突出基因编辑等重点领域，挖掘粮食作物增产潜力，确保国家粮食安全。这无疑给基因编辑在我国生物育种方面的应用提供了强有力的政策支撑。农业用基因编辑植物安全评价指南（试行）（以下简称安全评价指南）于 年 月应运而生，该安全评价指南主要针对没有引入外源基因的基因编辑植物，要求依据可能产生的风险申请安全评价。这标志着中国将开始批准基因编辑作物，为我国将基因编辑研发优势转化为产业优势，实现全球生物育种的“弯道超车”提供可能，对于保障国家粮食安全、生态安全具有重要意义。结论面对全球气候变化、资源不足以及病虫害频发等给全球粮食供应带来的种种挑战，基因编辑技术将成为现代精准生物育种的核心，推动未来农业朝着多样化、立体化、高品质、低污染的方向发展。近年来，我国科学家专注于基因编辑技术的基础性研究，培育出既抗病又高产的小麦品种，形成了一套完整成熟的小麦基因编辑理论。同时，基因编辑技术在其他作物品种培育中也应用广泛，基因编辑产品在多国批准进入市场。基因编辑技术已经展现出在生物育种领域的巨大应用前景，配合相关政策的出台，我国应努力将研发优势转化为产业优势，在新一轮科技育种浪潮中占据领先位置，保障我国粮食安全。参考文献 任俊,曹跃炫,黄勇,等 基因编辑技术及其水稻中的发展和应用 中国稻米,():单奇伟,高彩霞 植物基因组编辑及衍生技术最新研究进展 遗传,():应继锋,刘定富,赵健 第 代()作物育种技术体系 中国种业,():周想春,邢永忠 基因组编辑技术在植物基因功能鉴 年第 卷第 期 粮食与油脂定及作物育种中的应用 遗传,():何晓玲,刘鹏程,马伯军,等 基于 的基因编辑技术研究进展及其在植物中的应用 植物学报,():卢俊南,褚鑫,潘燕平,等 基因编辑技术:进展与挑战 中国科学院院刊,():沈平,章秋艳,杨立桃,等 基因组编辑技术及其安全管理 中国农业科学,():杨一舟,李魏,易图永,等 植物病毒互作研究及基因编辑技术在抗病育种中的应用进展 生物技术通报,():何利娟,徐如梦,李冬月,等 基因编辑技术的发展及其在农业生产中的应用 生物技术通讯,():杨美娟,黄坤艳,韩庆典 小麦白粉病及其抗性研究进展 分子植物育种,():,():,():,():李树磊,郑红艳,王磊 基因编辑技术在作物育种中的应用与展望 生物技术通报,():,():,():?,():,():,:,():,():,():,():谭晓菁,王忠华,吴月燕,等 基因编辑技术在水稻抗病基因与育种研究中的应用进展 浙江农业学报,():刘耀光,李构思,张雅玲,等 植物基因组编辑技术研究进展 华南农业大学学报,():刘旭霞,刘桂小 基因编辑技术应用风险的法律规制 华中农业大学学报(社会科学版),():,冷燕,孙康泰,刘倩倩,等 全球基因编辑作物监管趋势研究 中国生物工程杂志,():,():程曦,王文义,邱金龙 基因组编辑:植物生物技术的机遇与挑战 生物技术通报,():粮食与油脂 年第 卷第 期