综述：CRISPR/Cas 基因组编辑技术在提高糖料作物非生物胁迫耐受性中的潜力

本文综述了 CRISPR/Cas 技术提升糖料作物抗非生物胁迫潜力，助力培育抗性品种。

　　

CRISPR/Cas 基因组编辑技术在提高糖料作物非生物胁迫耐受性中的潜力

一、糖料作物面临的挑战与 CRISPR/Cas 技术的介入

在全球农业的大舞台上，甘蔗、甜菜和甜高粱等糖料作物扮演着至关重要的角色。它们不仅是我们日常生活中甜味剂的主要来源，还在生物燃料生产和工业原料供应方面占据关键地位。然而，随着全球气候变化和环境恶化，这些糖料作物正面临着日益严峻的非生物胁迫挑战，干旱、盐渍化、高温、低温以及重金属毒性等问题，如同重重枷锁，严重制约着糖料作物的生产力和可持续发展。

这些非生物胁迫影响的并非简单的单基因性状，而是涉及多个基因的复杂调控网络，即复杂多基因性状。传统的育种方法在应对如此复杂的遗传调控时显得力不从心，难以满足培育具有强大抗逆性糖料作物品种的需求。于是，精准且高效的基因干预手段 ——CRISPR/Cas 基因组编辑技术应运而生，为解决这一难题带来了新的希望。

二、CRISPR/Cas 技术家族解析

CRISPR/Cas 技术家族成员众多，各显神通。其中，CRISPR/Cas9 是最为人们熟知的 “基因剪刀”，它能够在特定的 DNA 位点进行精确切割，实现基因的敲除、插入或替换，就像是一把精准的手术刀，在基因组的 “蓝图” 上进行精细修改。

CRISPRa（CRISPR activation）则是基因表达的 “激活器”。它可以通过招募转录激活因子，增强特定基因的表达水平，让原本 “沉默” 的基因活跃起来，从而开启相关的生物学功能，为研究基因功能和调控网络提供了新的视角。

与之相对的 CRISPRi（CRISPR interference），则是基因表达的 “抑制剂”。它能够阻止转录过程的进行，使特定基因的表达受到抑制，就像给基因的表达按下了 “暂停键”，有助于深入探究基因在生物过程中的作用机制。

prime editing（引导编辑）更是技术革新的代表，它可以实现更为精确和灵活的碱基编辑，能够在不引入双链断裂的情况下，对目标 DNA 进行单碱基或多碱基的替换、插入和删除，极大地拓展了基因编辑的范围和精准度，如同一位细致的工匠，在基因的微小层面进行精雕细琢。

base editing（碱基编辑）则专注于单个碱基的修改，能够将一种碱基精准地转换为另一种碱基，为纠正一些单碱基突变引起的遗传问题提供了有力工具，如同在基因的 “字母表” 中进行精准的拼写纠正。

这些先进的基因组编辑工具，凭借其靶向修饰的能力，为研究人员深入开展功能获得性突变研究和解析基因调控网络提供了强大的支持，从而能够加速糖料作物的遗传改良进程。

三、关键转录因子家族与抗逆机制

在糖料作物应对非生物胁迫的过程中，转录因子发挥着核心调控作用。其中，DREB（Dehydration-Responsive Element Binding Protein）、NAC（NAM、ATAF1/2、CUC2）和 WRKY 转录因子家族备受关注。

DREB 转录因子家族能够特异性地结合干旱应答元件（DRE），激活一系列与渗透保护、气孔调节以及胁迫信号通路相关的关键基因。当糖料作物遭遇干旱胁迫时，DREB 转录因子就像战场上的指挥官，迅速调动 “防御部队”，开启相关基因的表达，合成脯氨酸、甜菜碱等渗透调节物质，增强细胞的保水能力，同时调节气孔开闭，减少水分散失，从而帮助作物抵御干旱的侵害。

NAC 转录因子家族则在多个抗逆过程中发挥着重要作用。它不仅参与调控植物的生长发育，还在响应非生物胁迫时，通过调节下游基因的表达，影响细胞的抗氧化能力、离子平衡以及细胞壁的稳定性。在盐渍化胁迫下，NAC 转录因子能够激活相关基因，促使植物排出多余的钠离子，维持细胞内的离子平衡，减轻盐分对细胞的损伤，保障作物的正常生长。

WRKY 转录因子家族同样不可或缺，它能够与 W-box 顺式作用元件结合，调控众多与胁迫响应相关基因的表达。在高温、低温等胁迫环境中，WRKY 转录因子可以通过调节植物激素信号通路，如脱落酸（ABA）信号通路，增强植物对逆境的适应能力。ABA 信号通路就像是植物体内的 “应急信号系统”，WRKY 转录因子通过调节该通路，使植物能够感知并响应环境胁迫，启动一系列防御机制。

研究这些转录因子家族，深入解析它们的调控机制，对于利用 CRISPR/Cas 技术精准调控相关基因，提高糖料作物的非生物胁迫耐受性具有至关重要的意义。

四、无转基因编辑植株的生成策略

在基因编辑技术不断发展的同时，人们对于无转基因编辑植株的需求也日益增加。为了满足这一需求，多种创新技术应运而生。

Preassembled CRISPR/Cas9 Ribonucleoproteins-Based Genome Editing（基于预组装 CRISPR/Cas9 核糖核蛋白的基因组编辑）技术，巧妙地绕过了传统转基因技术中引入外源基因的步骤。它通过将 CRISPR/Cas9 核糖核蛋白直接导入植物细胞，在完成基因编辑后，这些蛋白不会整合到植物基因组中，从而避免了转基因的风险，就像一位 “无痕访客”，在完成使命后悄然离开，不留痕迹。

CASE（CRISPR-Assisted Site-Specific Exchange）toolkit（CASE 工具包）则利用 CRISPR/Cas 系统的精确切割能力，实现植物基因组特定位点的高效替换。该技术能够在不引入外源基因的前提下，对植物自身的基因进行精准修饰，如同在拼图游戏中，精确地替换其中的一块拼图，而不改变其他部分。

Hi-Edit technology（Hi-Edit 技术）通过优化基因编辑过程中的关键步骤，显著提高了编辑效率，同时降低了脱靶效应的发生概率。这种技术不仅能够实现高效精准的基因编辑，还能保证编辑后的植株不含有转基因成分，为培育无转基因编辑植株提供了可靠的技术保障。

Transgene Killer CRISPR technology（转基因杀手 CRISPR 技术）则采用了一种独特的策略，它能够特异性地识别并去除植物基因组中的转基因片段。在基因编辑过程中，如果有外源基因意外整合到植物基因组中，该技术就像一位 “基因卫士”，迅速出击，将转基因片段精准清除，确保植株成为无转基因的 “纯净体”。

这些技术的不断发展和完善，为培育无转基因编辑植株提供了多样化的选择，有助于推动基因编辑技术在糖料作物育种中的广泛应用，减少公众对于转基因作物的担忧。

五、CRISPR 技术与传统育种的融合

将 CRISPR/Cas 技术与传统育种方法相结合，是培育适应环境挑战的抗逆糖料作物品种的有效途径。传统育种方法经过长期实践，积累了丰富的经验，能够充分利用自然变异和杂种优势，培育出具有优良农艺性状的品种。而 CRISPR/Cas 技术则为传统育种提供了精准的基因编辑手段，能够快速、准确地改良目标性状。

在实际应用中，可以先通过传统育种方法筛选出具有一定抗逆基础的亲本材料，然后利用 CRISPR/Cas 技术对这些亲本材料中的关键抗逆基因进行精准编辑，进一步增强其抗逆性。例如，针对具有一定耐旱性的甘蔗品种，利用 CRISPR/Cas9 技术对其 DREB 基因进行编辑，提高其表达水平，从而培育出耐旱性更强的甘蔗新品种。这种将现代基因编辑技术与传统育种相结合的方式，就像为传统育种插上了 “科技的翅膀”，能够加速抗逆糖料作物品种的培育进程，提高育种效率和成功率。

六、基因组编辑作物的监管考量

随着 CRISPR/Cas 技术在作物育种领域的广泛应用，基因组编辑作物的监管问题也逐渐成为关注的焦点。不同国家和地区对于基因组编辑作物的监管政策存在差异。一些国家将基因组编辑作物视为与转基因作物类似的产品，实施严格的监管措施，要求进行全面的安全性评估，包括对人体健康和生态环境的潜在影响评估。这是因为尽管基因组编辑技术在很多方面与传统转基因技术有所不同，但基因编辑可能引发的潜在风险仍需谨慎评估，以确保公众健康和生态平衡不受威胁。

而另一些国家则根据基因编辑的具体方式和对作物基因组的影响程度，制定了相对灵活的监管政策。对于那些仅涉及少量碱基变化且不引入外源基因的基因组编辑作物，监管相对宽松。这种差异反映了不同国家在平衡科技创新与风险管控方面的不同考量。

在推动基因组编辑技术在糖料作物育种中的商业应用时，必须充分考虑这些监管政策的差异。科研人员和育种企业需要密切关注各国的监管动态，按照相关规定进行研发和生产，确保基因组编辑的糖料作物品种能够顺利通过监管审批，实现商业化推广，为全球糖料作物产业的可持续发展提供有力支持。

七、展望

CRISPR/Cas 基因组编辑技术为提高糖料作物的非生物胁迫耐受性带来了前所未有的机遇。通过精准调控关键基因和转录因子家族，结合无转基因编辑植株的生成策略以及与传统育种的融合，有望培育出一系列适应不同环境挑战的抗逆糖料作物品种。然而，在技术发展的同时，我们也不能忽视基因组编辑作物的监管问题，只有在确保安全和符合法规的前提下，才能实现这些技术的广泛应用和商业价值。

未来，随着 CRISPR/Cas 技术的不断创新和完善，以及对糖料作物抗逆分子机制的深入研究，相信会有更多高效、精准的基因编辑策略涌现。同时，跨学科的合作也将进一步推动这一领域的发展，例如结合合成生物学、人工智能等前沿技术，实现对糖料作物基因组的更精准设计和调控。这不仅将有助于保障全球糖料作物的稳定生产，满足日益增长的市场需求，还将为可持续农业的发展注入新的活力，为人类应对环境挑战和保障粮食安全做出重要贡献。