现代作物育种正迈入全新的基因组设计时代，以基因组编辑技术为主流的基因组靶向修饰工具引领了作物育种方式的颠覆性变革和作物育种效率的大幅提升，其研发和应用水平将对未来的农业发展和粮食安全产生深刻的影响。
中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组长期致力于基因组编辑技术的自主创新，在精准基因组编辑技术研发、作物基因组编辑育种方法以及种质创新方面取得了系列成果。本文梳理下高老师关于基因编辑在作物育种应用上的经典综述文章。
课题组主页：http://gaolab.genetics.ac.cn/ktzz/
靶向基因组修饰工具及其在作物育种中的前沿应用（2024，Nat. Rev. Genet）
通过基因组编辑进行作物改良，涉及基因的靶向改变以改善植物性状，例如提高抗逆性、抗病性或营养成分。基因组靶向修饰技术已经从产生随机突变发展到精确的碱基替换，随后进行小DNA片段的插入、替换和删除，最终开始实现大DNA片段的精确操控。最近在碱基编辑、引导编辑和其他CRISPR相关系统方面的发展，为植物基础研究和精准分子育种奠定了坚实的技术基础。在这篇综述中，我们系统地概述了精准和靶向基因组修饰方法的技术原理。我们还回顾了基因组编辑试剂在植物中的递送方法，并概述了基于靶向基因组修饰（TGM）的新兴作物育种策略。最后，我们探讨了精准基因组编辑技术、递送方法和作物育种方法的潜在未来发展，以及基因组编辑产品的监管政策。
该综述首先总结了各类基因组编辑技术的基本原理和优化策略，并着重阐述了碱基编辑、引导编辑和大片段DNA精准操纵工具等精准基因组编辑技术的前沿研究进展。
目前应用于作物育种的精确基因组编辑工具。
此后，系统介绍了植物基因组编辑中使用的递送方法，尤其强调了无需组织培养和无需外源DNA整合的递送技术的应用前景；继而从“创造全新优良等位基因”和“创新作物育种技术”两个方面全面展示了以基因组编辑技术为代表的基因组靶向修饰工具在现代作物育种中的变革性作用。
最后，文中讨论了基因组编辑技术未来的研究方向，展望了对植物基因组进行精准靶向修饰的多样化场景，并探讨了基因组编辑作物在应用中可能面临的问题。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41576-024-00720-2
基因编辑在作物改良的应用（2021，Cell）
基因组编辑技术，可以将精确的和可预测的基因组修饰引入植物中以获得所需的性状，并且它们产生了定义下一代植物育种的精确育种技术。CRISPR-Cas已成为作物基因组工程的最先进系统之一。这项技术已迅速扩展，并已应用于主要作物，例如水稻，小麦和玉米，以及对粮食安全至关重要的其他作物，例如马铃薯和木薯。此外，最近开发的与CRISPR相关的工具（如碱基编辑器）极大地扩展了基因组编辑的范围，允许创建精确的核苷酸替换以及靶向的DNA缺失和插入。CRISPR-Cas技术与现代育种方法的结合，将在作物改良计划中发挥重要作用。在这篇综述中，将描述了植物基因组编辑的当前发展状态，重点介绍了使用这些技术可以产生的遗传修饰，以及将植物基因组编辑作为下一代植物育种技术用于作物改良的应用。
植物基因组编辑技术的发展为植物育种提供了广泛的机会。通过基因组编辑进行高效，精确和有针对性的诱变，为许多下一代育种策略奠定了基础，这些策略将彻底改变农业的未来。为了充分利用植物基因组编辑的潜力，必须探索所有方法。基因组编辑允许合理地将遗传性状的组合设计到作物中。这些精确有效的技术用于快速植物育种时，其结果类似于经典育种。但是，基于基因组编辑的下一代育种不可能完全取代传统方法。只有结合其他技术，例如高通量表型，基因组选择和快速育种，我们才能保证基因组编辑在农业中的广泛实施。这种多学科的方法将促进植物育种，以帮助实现第二次绿色革命，从而满足在不断变化的气候条件下快速增长的全球人口不断增长的粮食需求。
论文链接：https://www.cell.com/fulltext/S0092-8674(21)00005-2
CRISPR-Cas 在农业和植物生物技术中的应用（2020，Nat. Rev. Mol. Cell Biol）
该文章首先重点介绍最新的精准基因编辑技术，例如碱基编辑和引导编辑系统。之后讨论了CRISPR–Cas系统在提高植物产量、品质、抗病性和抗除草剂及繁殖和加速驯化中的作用。最后重点介绍CRISPR-Cas相关联的植物生物技术的最新突破，包括CRISPR-Cas元件递送，基因调控，多重基因编辑和诱变以及定向进化技术。
CRISPR–Cas已经成为植物基础和应用研究的颠覆性工具。除了由CRISPR–Cas核酸酶诱导的indel突变外，还设计了一系列CRISPR–Cas衍生的编辑器，可以执行精确的基因组操作。这些工具具有无与伦比的基因编辑能力，已帮助创建了数百种具有改良农艺性能的作物品种，并革新了育种技术。但是，这些多功能工具尚未满足植物基因组操作的所有需求，进一步的开发对于将CRISPR–Cas应用到植物中至关重要。由于某些农业性状是许多数量性状基因座的产物，并且编辑单个基因可能不会产生足够的表型变化，因此开发有效的CRISPR–Cas介导的靶向插入和染色体重排技术以结合或“堆叠”将是有利的突变的等位基因。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41580-020-00288-9
CRISPR/Cas 基因组编辑与农业植物精准育种（2019，Annu. Rev. Plant Biol.）
CRISPR/Cas 基因组编辑的最新进展使大多数作物能够进行有效的靶向修饰，从而有望加速作物改良。在这里，我们回顾了 CRISPR/Cas9 及其变体的进展，并研究了它们在植物基因组编辑和相关操作中的应用。我们重点介绍了能够实现靶向核苷酸替换的碱基编辑工具，并描述了将基因组编辑与作物育种联系起来的各种递送系统，特别是无 DNA 方法。我们总结了基因组编辑在性状改进中的应用、微调基因调控技术的开发、病毒抗性的繁殖策略以及高通量突变文库的使用。我们概述了植物合成生物学和驯化中基因组编辑的未来前景、递送系统的进展、编辑特异性、同源定向修复和基因驱动。最后，我们讨论了精准植物育种的挑战和机遇及其在农业中的光明前景。
通过基因组编辑在植物中产生目标明确、序列定义的全基因组遗传多样性的能力是前所未有的，这在基础植物研究和作物育种方面取得了巨大的进步。CRISPR/Cas系统的简单性、多功能性和鲁棒性使得基因组编辑成为通过基因敲除、敲入、替换、点突变、微调基因调控以及其他在作物中任何基因位点的修改来精确改进作物的强大工具。它也适用于抗病毒育种和高通量突变体库的构建。
然而，将技术从实验室高效转移到田间需要快速发现重要性状的遗传基础，提高基因靶向（基因插入和替换）的效率，有效将CRISPR/Cas试剂传递到植物细胞以及随后的植物再生，无论是否需要组织培养，以及拥有改进靶向范围和频率的基础编辑器。利用合成生物学和系统生物学的概念，以及功能基因组学的进步，结合基因组编辑技术、下一代测序和许多其他相关技术的发展，将允许工程化具有极大改进品质的先进作物。
论文链接：https://www.annualreviews.org/content/journals/10.1146/annurev-arplant-050718-100049
近期培训
基于基因编辑在动植物育种上的研究应用，北京金智研特定于9月13~15日举办第二期基因编辑实操演练学习交流会，届时将诚邀博士生导师姜运良教授携团队苏峰副教授为大家系统讲解基因编辑的理论知识并带我们进行详细的实操教学。
详情请见（点击链接）：遗传育种实验室主任将主讲动植物基因编辑实操演练
报名二维码（截止于2024年9月12日17:30）：
福利放送：为了让大家获得更好的学习效果，参加本期学习交流会的学员，在成功报名并交费后，将首先获得我们第一期《2023植物基因编辑实操演练学习交流会》（详细内容见课程安排）的课程回放作为预习资料。
