随着全球人口激增和对粮食需求的持续增长，我们如何才能最大限度地减少作物产量损失？最大限度地提高作物的抗逆性？植物基因编辑技术的出现标志着一个关键时刻，开启了农业和生物科学的新纪元。 CRISPR-Cas系统最初是从细菌和古细菌中发现的一种天然防御机制。 该系统通过保留病毒和外源DNA的片段以及使用sgRNA和CAS蛋白来执行基因组编辑。 sgRNA的设计至关重要，因为它决定了cas蛋白在基因组中开始编辑的位置。 Cas蛋白是CRISPR-Cas系统的“剪刀”，负责切割和编辑靶基因。 目前，使用最广泛的CRISPR-Cas系统是Cas9和Cas12A复合物，它们都是进行核酸切割的单效应蛋白。 CRISPR Cas12a系统的crRNA比sgRNA短，Cas12A蛋白也比Cas9蛋白小，使合成更加经济方便Cas12A具有更宽的PAM序列（TTTV）选择范围，增加了目的基因的可编辑性;Cas12A切割DNA形成粘性末端，更容易引入不同的修复途径，提高编辑效率在多个物种的基因编辑中，Cas12a表现出较低的脱靶率。 一旦 CAS 蛋白切割 DNA 产生双链断裂，细胞就会启动 DNA 损伤修复机制来修复断裂。 两种最常见的编辑方法是功能性基因敲除和基因（片段）定点敲入替换。 此外，为了满足更精准、更广泛的适用性，单碱基编辑和引导式编辑也显示出突出的优势。 利用CRISPR-Cas9技术特异性敲除功能基因的能力，科学家们发现了其在植物生物学中的广泛应用。 这种偏好源于 Cas9 蛋白诱导靶 DNA 双链断裂的能力，随后促使宿主生物激活非同源末端连接 （NHEJ） 修复途径。 在大多数情况下，碱基和插入缺失（插入缺失）可以在切割位点附近产生。 然而，不精确的修复会导致移码突变。 
功能基因敲除和定点敲入替换技术当CRISPR-Cas9用于引入DNA双链断裂并在两端引入供体片段时，片段的两端携带与DNA断裂相似的序列，则编辑受体具有启动同源定向修复（HDR）的一定概率。 这种修复途径能够通过同源重组精确插入或替换供体片段。 相较于NHEJ通路导致的随机插入或缺失，该编辑方法更加准确灵活，可实现控制优良性状的多个基因的稳定聚集，解决了传统育种中优良性状无法遗传的问题，因此具有更广阔的应用前景。 单碱基编辑技术是指在感兴趣的基因片段的特定位点精确改变单个碱基。 胞嘧啶编辑器（CBE）和腺嘌呤编辑器（ABE）系统的建立，使单碱基编辑实现四种形式的碱基转化（CT、G、A、A、T、C）。 单碱基编辑的区别在于它不依赖于DNA双链断裂的产生，既规避了NHEJ修复通路的随机性，又摆脱了HDR修复通路效率低下的局限性。 
单碱基编辑技术（CBE&abe系统）Prime Editor是一种超精密的新型DNA编辑工具，可直接在活细胞基因组内的靶位点进行所有类型的DNA编辑，包括替换、小插入和缺失，而不会形成DSB。 PE 蛋白由切口酶 Cas9 （NCAS9） 和逆转录酶 （RT） 融合形成。 这些 PE 蛋白与引导 Prime Editor （PegRNA） 的 RNA 协同工作，PegRNA 具有将编辑后的蛋白质引导至编辑靶位点的双重功能，同时提供可编辑的 RNA 模板。 在PegRNA的指导下，PE会精确切割目标DNA单链，然后根据PEGRNA自带的编辑模板，从缺口延伸出新的DNA序列。 细胞内的内源性细胞修复机制会自动将这种新合成的序列整合到基因组中。 Prime Editor 因其高度的多功能性、编辑纯度和 DNA 靶标特异性而从其他方法中脱颖而出。 
CRISPR-Cas基因编辑技术由于具有操作简单、编辑效率高、支持多靶点编辑、编辑形式多样等优点，在短短几年内发展迅速，已广泛应用于多种植物中，为基因功能研究和作物性状改良做出了重要贡献。 提高产量
通过操纵参与光合作用的基因，我们可以提高作物的光合速率和光利用效率，以及它们通过根部吸收水分和养分的能力。 这种综合方法可以显著提高作物产量，提高对干旱条件的适应能力。
增强抗病能力
剪接和灭活病原体所依赖的宿主基因，从而提高作物对病原体的抗性。 通过抑制病原体的入侵和繁殖，作物能够更好地应对疾病的威胁。
提高抗虫能力
通过引入特定的抗虫基因，作物能够产生特殊的抗虫蛋白。 这种突破性方法可以减少对杀虫剂的需求，同时保护作物免受昆虫侵害。
提高质量
通过调控淀粉合成、果实成熟等与食品品质相关的基因，改变作物的口感、香气、色泽、营养价值和贮藏特性，从而提高其整体品质。
2024年7月21日，一篇题为《基于CRISPR的作物改良：实现零饥饿之路》的文章发表在《农业与食品化学杂志》上。 摘要：本文全面概述了CRISPR-Cas技术及其在改良粮食作物方面的最重要应用，以及有助于培育未来作物和消除全球饥饿的当前和潜在的技术突破。 与常规育种相比，CRISPR-CAS系统有望加速改良作物品种的开发，为实现零饥饿目标铺平道路。 
fig.通过CRISPR-Cas系统改良作物（例如水稻）的不同策略。 （a） CRISPR-CAS 系统靶向敏感基因 （SU） 的生物胁迫耐受性。 （b） 减少重金属的积累;例如，通过CRISPR-Cas系统靶向低硅稻（OSLSI）可减少水稻中砷（AS）的积累。 （c） 通过靶向致敏基因提高植物（如水稻）对非生物胁迫的耐受性。 （d） 改善光合作用;CRISPR-Cas系统可以精确有效地靶向线粒体和叶绿体细胞器中存在的几种光合作用负调节因子，以提高植物的光合活性。 （e） 提高谷物质量;通过CRISPR-Cas系统编辑谷物质量抑制因子（Q基因）以生产高质量的谷物，例如，通过操纵粒径3（OSGS 3）来改善米粒的物理外观。 （f） 提高淹没存活率;CRISPR-Cas系统破坏植物（例如水稻）中的赤霉酸合成途径也可以提高完全或部分浸没条件下的存活率。 （g） 改善根系结构;例如，在水稻中，编辑酶（osarg）可以提高次生根的数量，这有助于植物从土壤中吸收更多的养分，从而提高谷物产量。 （h） 改善工厂结构;通过CRISPR-Cas系统对植物结构的改造可以带来一场新的绿色革命。 例如，德拉蛋白限制植物的生长和发育;因此，编辑 della 蛋白可产生健壮而矮化的水稻品系。 CRISPR基因编辑技术的突破正在彻底改变世界农业，为满足世界日益增长的粮食需求提供了新的机会。 这项突破性技术使我们能够精心定制作物的基因组成，在提高作物产量、增强抗逆性和抗虫性以及提高整体质量方面具有巨大潜力。 鸿迅科技拥有近10年的作物全基因组编辑经验。 依托自主知识产权算法，提供植物全基因组的sgRNA设计和文库合成，覆盖水稻、小麦、玉米等10余个物种。 我们的解决方案使客户能够访问数千个与形状相关的关键基因，通过基因编辑技术加速研究人员对作物遗传多样性的探索，同时大大缩短作物育种时间。 
展望未来，植物基因编辑技术将继续推动生命科学的发展。 精准基因编辑将变得更加精确和高效，使研究人员能够实现更精细的基因调控。 此外，多基因调控的探索将成为重要的研究途径，为植物性状的高复杂性提供了可能。 reference[1] anzalone **randolph pb, d**is jr, sousa aa, koblan lw, levy jm, chen pj, wilson c, newby ga, raguram a, liu dr. search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor dna. nature. 2019 dec;576(7785):149-157.[2] li h, xie k. recent progresses in crispr genome editing in plants. sheng wu gong cheng xue bao. 2017 oct 25;33(10):1700-1711.[3] zhan x, lu y, zhu jk, botella jr. genome editing for plant research and crop improvement. j integr plant biol. 2021 jan;63(1):3-33.[4] gao c. genome engineering for crop improvement and future agriculture. cell. 2021 mar 18;184(6):1621-1635.[5] liu yg, li gs, zhang yl, chen lt. current advances on crispr/cas genome editing technologies in plants. 2019 vol.40 no.5 pp.38-49.[6] shakeel ahmad, liqun tang, rahil shahzad, amos musyoki mawia, gundra sivakrishna rao, shakra jamil, chen wei, zhonghua sheng, gaoneng shao, xiangjin wei, peisong hu, magdy m. mahfouz, shikai hu, and shaoqing tang. journal of agricultural and food chemistry 2021 69 (30), 8307-8323