综述：基因组编辑及其对作物改良的影响：当前方法与未来展望

《Discover Plants》：Genome editing and its impact on crop improvement: current approaches and future prospects

本综述系统梳理了基因组编辑技术的发展历程及其在作物改良中的应用前景。文章详细比较了归位核酸内切酶（MegNs）、锌指核酸酶（ZFNs）、转录激活因子样效应物核酸酶（TALENs）及规律成簇间隔短回文重复序列（CRISPR-Cas）系统的机制与优劣，重点阐述了CRISPR-Cas系统通过引导RNA（gRNA）实现精准双链断裂（DSBs），并利用非同源末端连接（NHEJ）或同源定向修复（HDR）途径编辑作物基因，从而提升产量、抗逆性及营养品质，为可持续农业提供关键技术支撑。

　　

基因组编辑技术的演进

基因组编辑技术经历了从归位核酸内切酶（MegNs）、锌指核酸酶（ZFNs）、转录激活因子样效应物核酸酶（TALENs）到CRISPR-Cas系统的迭代发展。MegNs作为早期工具，依赖蛋白质与DNA的直接结合，识别长达18-30碱基对的序列，但设计复杂且灵活性低；ZFNs通过锌指结构域识别三联体密码，但存在上下文依赖性导致的脱靶效应；TALENs利用重复可变双残基（RVDs）实现单核苷酸精度识别，显著提升靶向特异性；而CRISPR-Cas系统以其RNA引导的简易性、低成本和高效率成为主流工具，尤其CRISPR-Cas9通过单链引导RNA（sgRNA）和原型间隔序列邻近基序（PAM）实现精准切割。

DNA修复机制的核心作用

位点特异性核酸酶（SDNs）的核心功能是通过诱导双链断裂（DSBs）激活细胞修复通路。非同源末端连接（NHEJ）直接连接断裂末端，易产生插入或缺失（Indels），用于基因敲除；同源定向修复（HDR）则依赖模板实现精准替换或插入，适用于基因校正或性状优化。这两种机制共同构成基因组编辑的分子基础，为作物性状改良提供多样化策略。

CRISPR-Cas系统的分类与应用拓展

CRISPR系统分为Class 1（多蛋白复合物，如Type I、III、IV）和Class 2（单效应蛋白，如Type II、V、VI）。Class 2中的Cas9（Type II）通过sgRNA引导产生平末端切割，Cas12a（Type V）生成粘性末端并仅需crRNA引导，而Cas13（Type VI）独特性地靶向RNA，实现转录调控。这些变体极大地扩展了编辑范围，从DNA修饰到RNA干扰及诊断应用。

作物改良中的精准编辑策略

基因组编辑在作物中的应用主要包括基因敲除、碱基编辑、引物编辑和HDR介导的整合。敲除编辑通过NHEJ引入Indels破坏基因功能，如水稻OsSWEET14敲除赋予白叶枯病抗性；碱基编辑利用脱氨酶实现C→T或A→G转换，避免DSBs，例如水稻OsALS编辑获得除草剂耐受性；引物编辑结合Cas9切口酶与逆转录酶，可精准实现替换、插入或缺失，如调控水稻OsIPA1改善株型；HDR则通过供体模板引入优良等位基因，如水稻ALS基因替换提升除草剂抗性。这些策略在稻米、玉米、小麦等主要作物中成功改良了产量、抗逆性及营养成分。

未来挑战与前景

尽管CRISPR技术潜力巨大，但仍面临HDR效率低、脱靶效应、组织培养再生困难等挑战。新型Cas变体（如Cas12f、CasΦ）的开发、纳米颗粒递送系统及多重编辑技术的优化将推动其在复杂性状调控和野生种驯化中的应用。结合合成生物学与分子设计育种，基因组编辑有望成为应对全球粮食安全、气候变化的核心工具，但需完善伦理与生物安全框架以确保其可持续部署。