综述：番茄(Solanum lycopersicum)中基于CRISPR-Cas系统的基因组编辑研究现状

这篇综述系统阐述了CRISPR-Cas9技术在番茄育种中的应用进展，重点介绍了该技术在果实品质改良（如色泽调控基因PSY1/MYB12/SGR1）、抗逆性提升（如抗病基因SlWRKY52/SlMYC1）及生长发育调控（如雄性不育基因SlMS10/SlACO2）等方面的突破性成果。文章详细解析了CRISPR-Cas系统（包括II/V/VI型）的分子机制、多重编辑策略（如Csy4/tRNA介导的多靶点编辑）及无转基因株系培育方法，为番茄精准育种提供了重要技术参考。

　　

番茄基因组编辑技术的新纪元

ABSTRACT

CRISPR-Cas基因组编辑技术显著提升了番茄育种的效率和精准度。作为重要的经济作物和模式植物，番茄面临着遗传基础狭窄、育种周期长等挑战。该技术通过精确的基因修饰，在改善果实品质、提高抗逆性等方面展现出巨大潜力。

1 引言

番茄（Solanum lycopersicum L.）作为全球重要的蔬菜作物，其产量和品质常受限于各种生物和非生物胁迫。传统育种方法在改良复杂性状时面临诸多瓶颈，而CRISPR-Cas技术因其精准、高效的特点成为研究热点。随着各国对基因编辑作物监管政策的调整，该技术在番茄育种中的应用前景更加广阔。

2 番茄育种中基因组编辑的必要性

相比传统育种和转基因技术，CRISPR-Cas系统具有明显优势：

• •

  可同时靶向多个基因位点

• •

  不引入外源DNA

• •

  编辑效率高

• •

  成本相对较低

番茄基因组数据库（如SGN、TGD）的完善为靶点设计提供了重要支持。

3 CRISPR-Cas系统的类型

根据效应蛋白的组成和功能，CRISPR-Cas系统可分为：

• •

  Class 1（I/III/IV型）：多亚基效应复合物

• •

  Class 2（II/V/VI型）：单效应蛋白

  其中II型Cas9和V型Cas12a(cpf1)在植物基因组编辑中应用最广。Cas9识别NGG PAM序列，而Cas12a识别TTTV PAM，扩展了靶点选择范围。

4 CRISPR-Cas9基因组编辑的机制

编辑过程包含三个关键步骤：

1. 1.

   gRNA引导Cas9识别靶序列

2. 2.

   RuvC和HNH结构域产生DNA双链断裂(DSB)

3. 3.

   细胞通过NHEJ或HDR机制修复断裂

   NHEJ通常导致基因敲除，而HDR可实现精确的基因替换。

5 番茄中的多重CRISPR-Cas基因组编辑

多重编辑策略包括：

• •

  单个表达框串联

• •

  Csy4核酶切割

• •

  tRNA介导的加工

• •

  核糖核酸酶自剪切

应用案例：

• •

  同时编辑PSY1/MYB12/SGR1获得多色果实

• •

  靶向CCD7/CCD8调控株型

• •

  编辑HyPRP1增强多重抗性

6 CRISPR-Cas9在番茄中的应用

6.1 果实产量和品质

• •

  SlSGR1突变体提高类胡萝卜素含量

• •

  SlPG敲除延缓果实软化

• •

  SlMYB12编辑产生粉色果肉

• •

  SlbZIP1-uORF突变提升糖酸比

6.2 植物生长发育

• •

  SlMIR164调控花器官发育

• •

  SlMS10/SlDYT1突变导致雄性不育

• •

  FAF基因编辑促进早花

6.3 非生物胁迫抗性

• •

  SlWRKY52增强抗旱性

• •

  SlMYB41调控热胁迫响应

• •

  SlABCG23提高冷藏耐受性

6.4 生物胁迫抗性

• •

  Mlo1突变抗白粉病

• •

  SlMYBS2抗晚疫病

• •

  eIF4E1编辑抗病毒病

7 无转基因编辑番茄的安全性问题

通过后代分离或RNP递送可获得无外源DNA的编辑株系。各国监管政策存在差异：

• •

  美日等国按常规品种管理

• •

  欧盟纳入GMO监管

• •

  印度实行分级评估

8 番茄基因组编辑的待探索领域

未来研究方向包括：

• •

  根系构型调控（如CCD基因）

• •

  生物碱代谢工程

• •

  挥发性有机物合成

• •

  表观遗传调控

9 结论与展望

CRISPR-Cas9技术正在革新番茄育种模式。随着编辑工具的优化和监管框架的完善，该技术将在培育高产、优质、抗逆新品种方面发挥更大作用。加强公众科普和产业化应用是推动技术落地的关键。