摘要：我国古代规模最大的丛书《四库全书》共收录3600余种图书，文字总量蔚为壮观，达到了约8亿字之巨。相比之下，人类基因组的规模同样令人叹为观止，它由约30亿对核苷酸（组成DNA的基本单元）组成。如果将一个核苷酸比作一个汉字，那么人类基因组的信息量堪比一座小型图书馆
我国古代规模最大的丛书《四库全书》共收录3600余种图书，文字总量蔚为壮观，达到了约8亿字之巨。相比之下，人类基因组的规模同样令人叹为观止，它由约30亿对核苷酸（组成DNA的基本单元）组成。如果将一个核苷酸比作一个汉字，那么人类基因组的信息量堪比一座小型图书馆。
你能想象对一座图书馆里的文稿进行编辑吗？科学家们凭借智慧，巧妙利用大自然孕育的工具，创造出能对基因组进行“编辑”的技术系统。它能从“图书馆”的海量信息中准确定位，对基因组进行精微的修改。这一革命性的技术被称为“基因编辑”，其性能与效率无疑是惊人的。一旦掌握了它，人们便能根据自身需要对生物进行设计和改良，开启生命科学的全新篇章。
基因编辑的顶流——“C小编”
“基因编辑”技术的精髓，在于对基因组进行修改时的高度精确性。换句话说，就是要准确锁定目标基因进行修改，不能找不到、改不了，也不能张冠李戴，干扰了其他基因的正常功能。
早期的基因编辑技术操作复杂、效率不高。随着生物技术的进步，出现了一种被称为CRISPR-Cas9的系统，已成为当前基因编辑的主流工具。它操作简便、效率高、适用范围广，我们不妨取它名字的首字母，称它为“C小编”。
话说这位C小编身怀两样绝技，一曰“锁定”，二曰“剪切”。人们首先交给它一小段基因序列，这是一条关键“线索”，携带着需要被修改的基因信息，能指引C小编从浩如烟海的基因组中准确找到目标。C小编怀揣“线索”进入细胞，搜寻并锁定目标基因，与它相结合。接着，施展自己的“剪刀”功夫，毫不留情地将DNA一剪两断。
“C小编”工作示意图
断裂的DNA对于细胞来说是一个重大险情。好在细胞里有DNA“维修工”，它们赶来救急，设法将断成两截的DNA重新连接起来。然而，在性命攸关的紧急关头，“维修工”没有充裕的时间精细操作，必须争分夺秒抢在第一时间完成连接。因此，连接中常常会出现小差错，重新接上的DNA可能被意外删掉或添上几个核苷酸“零件”。不要小看这样微小的改变，俗话说“差之毫厘，谬以千里”，它很可能导致基因无法正确合成蛋白质，丧失了原有的功能。
简而言之，C小编先是切断目标基因，然后巧妙利用DNA修复过程中的“bug”破坏基因。这种定点破坏基因的操作，术语叫做“基因敲除”。如果被“敲除”的是不利基因，就可能对生物进行遗传改良。
C小编灵巧又驯顺，它的诞生，使得快速、高效、精准修改生物基因组成为可能。C小编的开发者，两位年轻的女性科学家——法国人埃马纽埃尔·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和美国人詹妮弗·杜德纳（Jennifer A . Doudna），因此被授予2020年诺贝尔化学奖。颁奖词盛赞她们的工作“对生命科学产生了革命性的影响”。
随着技术的进步，C小编的技能不断升级。除了定点敲除，它还可以在基因组中插入新基因，或用新基因替换原有基因。
“编辑”粮食作物
小麦、水稻、玉米等粮食作物的优异品种，必须集高产、抗病、抗逆境和好吃于一身。对粮食作物的基因编辑，也集中在这些性状上。
针对提升产量的目标，科研人员开展了大量基因编辑研究工作。农作物产量是一个复杂的性状，很多基因都与之相关，研究发现，对多个不同基因进行编辑，都有助于提升产量。
例如，我国科学家利用基因编辑技术，敲除控制玉米株高的Br2 基因、控制玉米叶宽的ZmNL4 基因，分别获得矮秆、粗壮、抗倒伏的玉米，和叶片变窄的玉米。这两种玉米都更适合高密度种植，亩产自然更高。
一类名为MLO的基因并非善类，它使植物容易受到白粉病感染。利用基因编辑技术敲除小麦中的4个MLO基因，使小麦获得了对白粉病的持久抗性。
稻米中含有两类淀粉：直链淀粉和支链淀粉，它们的含量与比例决定了米饭的口感。利用基因编辑技术敲除合成淀粉的关键基因Wx，可以培育出直链淀粉含量极低的稻米，做出的米饭口感更好，饭粒也更有光泽。此外，敲除与镉元素运输相关的基因，可以降低水稻累积重金属的风险。
更有利健康的油料作物
油酸是一种单不饱和脂肪酸，对心脑血管健康有益，培育油酸含量高的油料作物是育种家不懈追求的目标。利用基因编辑技术，改变控制脂肪酸合成的基因，可以创造出高油酸大豆和油菜。我国科学家研发的高油酸大豆，油酸含量可从不到20%提升至80%以上。
植酸是一种抗营养因子，过量摄入会影响某些矿物质的消化吸收。通过基因编辑，创造出植酸含量降低的油菜，营养价值更高。
不少人对花生和大豆及其制品过敏，原因在于它们含有一些容易导致过敏的蛋白质。通过基因编辑除去致敏蛋白基因，能够获得低过敏性花生和大豆，造福过敏症患者。
利用基因编辑，改变控制大豆开花时间的基因，可以延迟开花、延长成熟期，培育适应不同纬度和种植制度的大豆品种。
更优质的蔬菜与水果
龙葵碱是马铃薯中的一种毒素，能在发芽马铃薯中大量合成，选育低龙葵素含量的品种一直是马铃薯育种的重要目标。通过敲除龙葵碱合成途径中的关键基因，可以显著降低马铃薯中的毒素含量，创造更为健康的品种。
γ-氨基丁酸（GABA）是一种对人体神经系统具有调节作用的物质，能缓解情绪、提高睡眠质量、调节血压。利用基因编辑技术敲除番茄中限制GABA水平的基因，能够提高GABA含量。基因编辑番茄于2022年在日本上市销售，由于其潜在的健康效益，颇受许多消费者欢迎。
草莓果实硬度是重要的品质性状，用基因编辑技术敲除草莓软化过程的关键基因，能获得硬度更好的草莓。基因编辑还能够延迟番茄果实成熟，延长储藏期。
利用基因编辑技术改良农作物的例子，还可以举出许多许多……
基因编辑农作物安全性如何？
大家知道，转基因农作物在批准种植前，须经过严格的食用安全性与环境安全性评价。与转基因技术类似，基因编辑技术也改变了生物的遗传物质，但是，基因编辑主要用来敲除不利基因，并不额外引入基因，因此许多国家对基因编辑产品采取较为宽松的安全性评价与监管政策。
例如美国、日本、澳大利亚和南美洲一些国家，认为基因编辑农作物不含有额外基因，可不受监管。美国是基因编辑农作物产业化发展最快的国家，利用基因编辑技术培育的高油酸大豆、糯玉米、富含番茄红素柑橘、抗除草剂油菜、抗褐变蘑菇、无苦味芥菜等均已被批准商业化。
2022年1月，我国发布了《农业用基因编辑植物安全评价指南（试行）》，明确将“基因编辑”与“转基因”进行区别管理。对于不增加环境安全或食用安全风险的基因编辑植物，进行简化的安全性评价流程。2023年4月，又补充发布了《农业用基因编辑植物评审细则（试行）》，进一步指导基因编辑植物的安全管理工作。
2023年4月，高油酸大豆获得了我国首个农业用基因编辑生物安全证书，这是一个里程碑事件，标志着我国基因编辑农作物产业化驶入快车道。前文提到的适合密植的玉米、抗病小麦、优质水稻、延迟开花的大豆，都是我国科学家自主研制的领先性成果，均获得了国家颁发的生产应用安全证书（详见“转基因权威关注网”）。
技术发展任重而道远
杂交育种是培育农作物新品种的传统方式，但存在许多制约，如：高度依赖于优异的父母本育种材料，往往需要花费多年时间选育后代，在获得优良性状的同时容易带入其它不良性状，无法进行精确改良。基因编辑技术能够实现快速精准的遗传改良，显著缩短育种年限、降低育种成本，为农作物育种提供了无与伦比的强大手段。
然而它并非完美。最大的挑战是确保基因编辑的精确性，避免所谓的“脱靶效应”。再回到开篇介绍的C小编，它通过携带的“线索”寻找目标基因时，有一定的出错率，可能错误识别和敲除了与目标基因序列相似的其他基因。这种“脱靶”将导致非预期的基因突变，可能使农作物出现不良性状。
另一方面，许多农艺性状都受多个基因共同控制，而基因编辑技术更适合针对一个或几个基因进行编辑。如果想提升产量、品质等复杂性状，单靠基因编辑可能难以引起显著效果。此外，基因编辑长于“删除”操作，要想“添加”新功能则困难得多。
基因编辑技术源自发达国家，众多关键技术和专利掌握在国外公司手中。我国相关研究起步虽晚，近年来加速追赶，目前在基因编辑应用技术研发方面已跃居国际前列，但基因编辑产品尚未产业化应用，原创性研究仍需持续加强。
参考文献：
1.Adeyinka O.S., Tabassum B., et al., (2023) Enhancing the quality of staple food crops through CRISPR/Cas-mediated site-directed mutagenesis. Planta 257:78, https://doi.org/10.1007/s00425-023-04110-6
2.林萌萌，李春娟，等.CRISPR/Cas9 基因编辑技术在作物中的应用.核农学报.2021，35（6）: 1329-1339
3.王晨雨，刘孟军，等. CRISPR/Cas9 技术研究进展及其在园艺植物中的应用进展.园艺学报. 2024，51 (7):1439-1454
4.刘相国，钱步轩，等. 玉米基因编辑研究进展和前景展望. 2024，10.13327/j.jjlau.2024.0578
来源：农业科普传播
