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ACS Agric. Sci. Technol.前沿综述| 基因编辑的应用和展望及全球监管政策研究

作者:江易林,蒲阿庆

基因编辑技术为“按需定制”的新型分子育种提供了技术保障,以CRISPR/Cas为代表的基因编辑系统已成功应用于玉米改良,并在多个研究领域取得了重要进展,但其潜在的安全性问题为基因组编辑产品的安全管理带来新的挑战。2022年4月19日,北京科技大学生物与农业研究中心与北京中智生物农业国际研究院围绕基因编辑在玉米中的应用和展望以及全球基因编辑作物商业化和监管政策两个主题在ACS Agricultural Science & Technology杂志上发表了两篇基因编辑技术的综述论文。

CRISPR/Cas System: Applications and Prospects for Maize Improvement一文系统总结当前CRISPR/Cas基因组编辑技术在玉米中的应用,包括提高产量、改良品质、增强生物和非生物胁迫抗性、创制雄性不育系和单倍体诱导等,同时针对未来基因组编辑技术在玉米改良中的发展方向进行了展望。


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玉米产量取决于单株产量和群体产量,因此优化玉米花序结构,提升光合作用和养分吸收的效率是玉米改良的重要目标,而通过CRISPR/Cas基因编辑系统敲除这类基因可有效提升产量。比如ZmCLE7ZmFCP1基因都编码一类肽信号,在敲除该类基因后能有效增加突变体的穗行数和行粒数等产量相关性状。当前市场对于高品质玉米的需求也在提升,而通过基因编辑技术目前已经创制出了糯玉米、超甜糯玉米和香味玉米等,其中糯玉米很可能是全球第一个上市的基因编辑玉米。生物胁迫和非生物胁迫是影响玉米产量和质量的两个关键因素,CRISPR/Cas技术已应用于开发具有抗生物胁迫的所需性状,包括抗除草剂、耐旱、耐盐和抗倒伏,以及应用于创制抗黑粉虱和禾谷镰刀菌的玉米。雄性不育是一个非常重要的农艺性状,可用于玉米高效杂交种子生产,通过采用CRISPR/Cas介导的基因敲除技术,已经产生了 11个核雄性不育系和2个温敏雄性不育系。此外基于体内单倍体诱导的双单倍体技术已被广泛用于提高玉米育种效率,如利用基因编辑技术分别敲除ZmPLA1ZmDMPZmPLD3基因可明显提高突变体的单倍体诱导率,并进一步开发了基于单倍体诱导介导的基因组编辑技术(IMGE)和单倍体基因编辑耦合技术(HI-Edit),可以快速有效地编辑玉米优良自交系。

未来基因组编辑技术应用于玉米改良,仍需改进的方面如下:首先,应加快新的CRISPR/Cas基因组编辑系统及其衍生技术在玉米中的应用,如CRISPR/Cas12a、13和14a,单碱基编辑器及准确度更高的引导编辑系统(PEs)等(图1);其次,应加强多重基因编辑系统在玉米改良中的应用,以促进复合性状的同步改良和精准育种;第三,基因组编辑技术发展所依赖的玉米遗传转化体系仍需进一步优化,如利用发育调节基因来缩短转化周期、提高再生效率和突破基因型限制等;最后,为了充分发挥基因组编辑技术在玉米改良中的潜力,还需不断提高基因组编辑的特异性和精度,解决脱靶和法律监管问题等。

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1. CRISPR/Cas系统和CRISPR/Cas衍生技术


北京科技大学博士生江易林为第一作者,安学丽教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费联合资助。

Commercialization and Supervision Policies of GeneEdited Crops in China and Other Main Countries一文全面总结了全球基因编辑作物商业化和监管政策的最新进展和趋势,并对我国基因编辑技术的产业化和监管提出对策和建议,以尽快缩小作物基因编辑技术的进展与市场需求之间的政策差距。


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各国政府针对基因编辑作物的管理政策和实践有很大不同,可分为宽松型监管模式、谨慎型监管模式以及折中型监管模式(图2)。以美国和加拿大为代表的北美国家对基因编辑保持相对积极的态度,主要遵循案例分析原则进行监管;欧盟对基因编辑作物保持保守和谨慎的态度,并将其视为转基因作物进行严格监管。


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2. 11个代表性国家的基因编辑作物监管政策地图


不同监管政策加大了各国基因编辑作物应用情况的差距。研究综述了全球已商业化种植的十种主要基因编辑作物,并描述了它们的改良性状、商业化种植时间和面积、开发机构等具体信息。


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未来全球基因编辑技术及作物的监管政策一致性需要持续提高,可根据基因编辑作物的特点分类实施案例分析和咨询制度,严格实验阶段的管理,加快基因编辑产品的检测技术创新,加强前沿生物技术的科普和传播。

北京科技大学魏珣副教授为第一作者,龙艳教授为通讯作者。该研究得到中央高校基本科研业务费联合资助。



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