农业中的 CRISPR：回顾 2022 年

2022年是中国发展十周年 CRISPR 作为一个 基因组- 编辑工具——第一年可以在杂货店货架上找到 CRISPR 编辑的食物。 在本文中，我们将回顾农业基因组工程的基础知识，然后绘制出 2022 年作物和牲畜应用中一些最令人兴奋的新发展。 其中包括改变性状以适应不断变化的气候、改善口味或营养、保护主要作物免受疾病侵害等等！ 我们还将探讨不断变化的监管环境以及接下来要注意的事项。

将 CRISPR 添加到工具包中 

随着农业的引入，人类、植物和动物之间的关系从根本上发生了变化，从完全利用野生环境中可用的资源到在新环境中进行有意栽培。 农民们开始选择具有理想特性的农作物和牲畜，例如籽粒多的玉米或毒素较少的水果。 他们通过称为选择性育种的过程将具有这些特征的生物代代相传。 

选择性育种是随后许多人类对农业的干预中的第一个，最终由新技术补充。 例如，在农作物技术中，如 异花授粉, 突变 配种， 转基因 繁殖，现在 基因编辑 都是以改善农业为目标的工具系列。 这些方法中的每一种都会改变基因组——但 CRISPR 以前所未有的精确度做到了这一点。 从选择性育种到 CRISPR，我们问：我们如何利用这些工具来生产满足我们需求的作物和牲畜？

在新闻中，您可能会听说 CRISPR 如何促进人类健康：研究人员正在使用 CRISPR 深入研究疾病的遗传基础，基于 CRISPR 的疗法在临床试验中显示出令人印象深刻的结果。 在过去十年中，CRISPR 还被用于对人类以外的范围广泛的生物体进行遗传改变——包括一些我们最重要和最受欢迎的农作物和牲畜。

无论是在人类、动物还是植物中，CRISPR 工具的工作原理都相似 细胞: 他们剪了 的DNA 在特定站点，由研究人员编程。 DNA 中的这种切割向细胞发出信号，以招募修复机器。 在修复损坏的 DNA 的过程中，DNA 有时会发生变化。 我们可以利用这一过程来发展对生物有机体的新理解、新的疾病治疗方法和新的农业创新。 到目前为止，在农业领域，CRISPR 通常用于产生基因“敲除”：改变 基因 使他们停止工作。

动物和植物之间的最大区别在于基因编辑机制是如何传递到细胞中的。 在植物中，使用两种主要方法。 其中， 细菌 农杆菌 根癌 用于将基因转移到植物基因组中。 另一方面，镀金的 DNA 以高速和高压投射到植物组织中，以渗透到植物细胞中。 之后，这些细胞会长成整株植物，以备研究之用。 

在鱼类中，将基因编辑机器直接注入卵中通常是生产基因编辑生物的最有效方法。 在用于研究和农业的哺乳动物中，有两种方法可用于在转移到代孕妈妈之前生成经过编辑的胚胎。 一种是直接编辑受精卵。 其他用途 体 细胞核移植，通常称为克隆。 在这个过程中，受精卵中的所有 DNA 都被取出，来自编辑过的细胞系的 DNA 被转移进来，以制造基因编辑过的胚胎。 请注意，这些技术目前未在 人类. 

从实验室到平板

基因编辑农作物和牲畜最初是实验室的一个想法，那里的初步研究揭示了编辑的潜力，使植物或动物具有所需的特性。 有希望的结果可能会得到进一步的支持 现场试验, 植物生长的环境与成功后种植的环境更相似。 

在美国，大多数基因编辑作物都具有自然界中可能发生的遗传变化，因此不受监管。 生产商可以向美国农业部申请确认，以确保他们开发的植物符合豁免标准。 一旦植物获得豁免地位，它就可以销售、扩大规模并分发给种植者和消费者。 根据具体变化， FDA 或 EPA 也可能参与监管。 对于基因编辑动物，FDA 必须批准该动物进行商业化。

世界各地都有类似的流程，但在批准前必须满足哪些标准方面略有不同。 请注意，一些国家/地区要求生产商证明他们的产品具有预期的编辑，并且不包含任何来自不同生物体的基因。 到 2022 年，一些 国家 世界各地决定通过提供豁免或批准编辑作物和牲畜的途径来接受基因编辑。 

一旦监管机构审查了一种动物或植物并认为它是安全的，它就可以销售、规模化并分发给种植者和消费者。

在本文中，我们根据主要受益者（消费者、农民或地球）将农业 CRISPR 的进展分为三大类，并举例说明了正在开发中的有趣且值得注意的产品。 对于每个示例，我们都指出了基因编辑的农业生物体在实验室到田间管道中的位置。

图形摘要

开发管道中的基因组编辑产品在哪里？ 将鼠标悬停在图标上进行探索！ 

本文中讨论的示例及其从研究到商业可用性的进展的图形概述。 将光标悬停在图标上以获取有关每个产品的更多信息。 显微镜图标表示处于实验室研究阶段的产品； 小麦图标表示正在进行田间试验的产品； 叉子和刀子表示商业化的产品。 您还会看到本文中使用的复选标记符号，表示已获准商业化的产品。

为食者编辑：消费者利益

消费者——在这种情况下，任何吃东西的人——都有广泛的偏好和欲望。 基因编辑是实现这些广泛的食物利益的有效机制。 在过去的一年里，研究人员使用 CRISPR 提供了味道更温和的营养丰富的绿叶蔬菜、持久的香蕉和 GABA 含量更高的西红柿。 有史以来第一次，使用 CRISPR 技术生产的食品被出售给消费者。 

富含 GABA 的番茄

日本食品市场以其令人难以置信的优质鱼和种类繁多的大米品种以及许多其他闪闪发光的食品而闻名于世。 他们现在有一个新的区别：日本人是世界上第一批获得基因编辑产品的消费者。 

这些选择之一是 GABA 番茄。 日本当局于 2021 年允许，这种番茄 已经在 2022 年找到了成千上万的家庭园丁、农民和消费者的途径。这些由总部位于东京的 Sanatech Seeds 生产， 番茄 已被编辑以增加 γ-氨基丁酸或 GABA 的积累。 这种化合物作为补充剂被广泛食用，声称可以降低血压、改善情绪和增加放松。 虽然支持这些说法的临床证据并不充分，但在日本人们对富含 GABA 的产品有着极大的兴趣。 基于 CRISPR 的单个番茄基因编辑产生了 GABA 水平高出 4-20 倍的品系。 富含 GABA 的西红柿是否能提供真正的健康益处尚无定论，但无论哪种方式，成为第一个上架超市货架的基因编辑产品都是一个区别！ 

温和的芥菜

在寻求组装基因编辑沙拉的过程中，人们可能会添加一个 GABA 西红柿和 Conscious Greens 一起放到他们的购物车里。 Pairwise 最近推出的这些 青菜 经过基因编辑，以减少臭名昭著的苦芥菜的刺激性。

Pairwise 的研究人员使用 CRISPR 将营养丰富但味道大胆的绿叶蔬菜转化为具有相同营养成分的更温和的沙拉蔬菜。 通过编辑一个催化被称为“芥末炸弹”反应的基因家族，这些绿叶蔬菜已被解除武装，变成更可口的形式。 对这些绿色蔬菜的生化和感官评估证实，辛辣味的来源在田间和温室中得到稳定抑制。 

Conscious Greens 最近在该公司举办品酒会的美国多个城市走进了公众的口中和心中。 2023 年，它们将在美国的杂货店和餐馆出售。 

不褐变香蕉

很少有水果像香蕉一样广受喜爱和消费。 凭借内置的包装和内部的甜食，香蕉已成为世界上消费最广泛的水果。 

以其他非褐变产品为例，例如 北极苹果 或者 不褐变蘑菇, Tropic Biosciences 已经实现了类似类型的产品，这次使用的是基因编辑： 香蕉 可以抵抗褐变。 

当暴露在氧气中时，香蕉和许多其他喜爱的食物（如苹果和鳄梨）会开始变褐。 导致褐变的反应还会带来令人不快的味道和气味，并降低营养质量。 通过删除的功能 酶 使用 CRISPR 促进这种反应，香蕉可以保持更长时间的黄色，安抚消费者，并可能减少食物浪费。 美国农业部已批准香蕉商业化。 

富含维生素D 番茄

俗话说，吃什么就是什么。 现在，多亏了 John Innes 中心科学家的工作，我们可能会更健康一些。 在最近的一项研究中，一组植物生物学家成功地生成了 番茄 使用基因编辑富含维生素原 D3。 

维生素 D 对骨骼健康和调节免疫系统至关重要，缺乏会增加一系列健康问题的风险，包括某些 癌症、代谢紊乱和 COVID-19 严重程度恶化。 近 1 亿人的维生素 D 水平不足。 食物是维生素 D 的主要来源，饮食干预可能是我们解决维生素 D 缺乏症的最佳选择。 

科学家们使用 CRISPR 成功去除了一个基因的功能，该基因负责将维生素 D 前体 7-DHC 转化为生化过程中的下一个化合物，最终导致植物制造维生素 D。经过编辑的西红柿积累了高水平的维生素 D叶和果实中的前体。 然后可以将这些植物暴露在紫外线下，在一个反映阳光照射的过程中，生产出维生素 D 含量高的西红柿。一个经过编辑的西红柿可以提供近 20% 的维生素 D 每日推荐摄入量，并有机会获得更多维生素 D仍有可能积累。

全球近三分之一的人口受到某种类型的微量营养素缺乏症的影响，这代表了 CRISPR 在农业中最令人兴奋的用途之一。 基因编辑有可能为维生素 D 以外的一系列缺陷提供解决方案。 

为丰收而编辑：高产

无论是中秋节还是住棚节、梅赫里根节或安第斯丰收节，几乎地球每个角落的每一种文化都找到了一种方式来纪念丰收的礼物并要求丰厚的回报。 随着对全球粮食供应的威胁不断出现，以及可能提供解决方案的基因编辑等技术创新，对作物和牲畜产量的焦虑和庆祝是一条贯穿人类经验的主线。 

2022 年，研究人员致力于为农业中常青的产量问题寻找新颖的解决方案。 其中一些研究人员利用基因编辑作为实现这一目标的机制——取得了巨大成功。

养大鱼

为了搭配富含 GABA 的番茄，一家位于京都的初创公司与京都大学和近代大学合作开发了 两条基因编辑鱼、红海鲷和虎河豚，现在可以在日本购买。 两条鱼都经过 CRISPR 编辑，变得更大。

在虎河豚中，基因编辑被用来中断与食欲调节相关的基因功能，导致鱼吃得更多，最终提高了它的生长速度和整体尺寸。 编辑后的虎河豚重量几乎是传统虎河豚的两倍，并且可以在更短的时间内上市。 

红海鲷在肌肉生长抑制素基因中进行了编辑，该基因通常会限制肌肉发育。 喂食相同数量食物的经过编辑的红海鲷比传统海鲷大 1.2 倍。 同样的基因已经在绵羊、牛、猪、山羊、兔子、鲤鱼和鲶鱼等动物身上进行了实验性编辑。 尽管在鲷鱼身上取得了成功，但在其他牲畜身上编辑该基因有时会导致健康问题。  

虽然这些经过编辑的鱼产品可能看起来像科幻小说中的东西，但缩短上市时间并增加每只动物的可食用肉量会减少饲养牲畜的碳足迹并增加可用食物的丰富性。 现在在日本市场上销售的虎河豚和红海鲷与 GABA 番茄一起构成了三种首批商业化的基因编辑食品。 

对玉米和水稻现代增产的古老见解

仅少数几种农作物就占据了我们全球卡路里的绝大部分。 尽管有数百种可食用植物，但玉米、小麦和水稻等农作物占消费农作物总量的大部分。 在它们占据我们饮食的如此巨大的一部分之前，这些生物看起来与园丁和农民从他们的土地上移走的杂草并没有太大不同。 将这些野生作物祖先转化为全球种植品种的过程称为驯化。 选择更大更多的谷物等性状标志着这些植物的遗传和美学转变为普遍消费和喜爱的食物，为我们提供能量。 

通过将野生作物祖先的基因组与现代品种的基因组进行比较，研究人员能够研究驯化过程中发生的遗传变化。 通过增加我们对这一过程的遗传学理解，他们能够为 CRISPR 编辑选择基因靶点，从而获得更高的产量。 

这些目标之一，KRN2，一种参与决定将产生花朵和最终产生谷物的细胞群大小的基因，在 大米和玉米. 这导致收益率分别提高了 8% 和 10%。 这些增加代表了重大飞跃，尤其是与传统育种计划中近乎停滞的产量提高相比。 更重要的是，寻找野生作物祖先寻找高产途径的方法可能是 对其他作物品种也有希望。

泰夫拉克

驯化过程被用于许多作物，以生产出我们今天种植的现代品种。 有时，通常与驯化相关的一系列特征——如更大的果实、更均匀的成熟时间和有毒化合物的损失——仅部分存在于特定植物中。 这些植物被称为半驯化植物，具有进一步改良的巨大潜力。 画眉草就是这种情况，这是一种主要在埃塞俄比亚和厄立特里亚种植的粮食作物。 

画眉草是埃塞俄比亚种植最广泛的粮食作物。 它抗病虫害，可以在其他草类作物不适合的各种极端环境中生长。 然而，这种重要的粮食作物仍然存在许多与未驯化的草有关的缺点。 高产画眉草生产的主要限制之一是它对“倒伏”的敏感性，这是一个在植物顶部附近的重谷物重量下茎干弯曲的过程。

为了克服这一局限性，唐纳德丹佛斯研究所的研究人员与埃塞俄比亚农业研究所和 Corteva Agrisciences 合作，正在使用基因编辑来开发抗倒伏画眉草。 基因靶标来自水稻驯化——一个自然的先例，为有效的基因编辑提供了路线图。 该基因的敲除产生 画眉草 这能够保持直立，提供了提高田间画眉草产量的潜力。 令人兴奋的是，这个例子也代表了 CRISPR 在画眉草中的最早示范之一，并揭示了基因编辑在具有区域意义的作物中应用的巨大潜力。 

改变小麦花以增加产量

就像全球种植的高产玉米和水稻一样， 小麦 在过去的一年中一直是基于 CRISPR 的产量改进的主题。 长期以来，人们一直认为粮食作物花朵的解剖结构是单株植物产量的重要决定因素。 通过编辑与花朵发育相关的基因，研究人员能够在田间试验中显着提高小麦植株的总产量，而不会降低其他重要特性。 

为动态行星编辑：
气候和抗病性

气候变化正在带来更不稳定的降雨、更严重的干旱、更温暖的温度和更咸的土壤，这些影响将在未来几十年加剧。 科学共识：农业生产力会下降。

虽然气候变化的速度是前所未有的，但农业技术响应紧迫需求的能力并不新鲜。 不断发布新品种的作物以适应当下的特性，无论是对 木瓜病毒 或者更有营养的 红薯.

以类似的方式，基因编辑可能提供另一种工具来解决气候变化已经开始对农业产生的严重影响。 

MOOOOO-RE 耐热性

美国FDA制定了 决心 可以将经过基因组编辑的短毛肉牛商业化。 提供给这头奶牛的开发商 Acceligen Inc. 的决定证明，经过这种编辑的动物不会引起任何安全问题。 这是 FDA 首次为供人类食用的基因编辑动物开绿灯，为其他基因编辑动物铺平了道路。 

除了被允许的新鲜感之外，这些牛还有什么特别之处呢？ 气温升高会给牛造成生理压力：它们的体温升高，呼吸加快，奶牛的产奶量下降。 这个例子中的牛有一个编辑，给他们短毛，也被称为“光滑”外套。 较短的头发意味着这些特拉沃尔塔式的光滑奶牛可以在温暖的温度下保持凉爽，增加动物福利并最终在不断变化的环境中生产牛肉 气候。 

基因编辑产生的变化类似于热带牛品种中常见的同一基因自然发生的变异。 基因编辑能够以简化的方式将这种短毛特性转移到优良的产肉品种中。 换句话说，CRISPR 正在为过热的奶牛提供基因理发，并使其能够在全球变暖的情况下高产。 

小麦抗病性

通过基因编辑去除基因的功能有时可以带来理想的结果，例如高产小麦或更美味的蔬菜。 然而，有时控制感兴趣性状的基因有不止一项工作。 对于被称为“易感基因”的基因来说尤其如此。 破坏疾病易感基因的功能可以使作物抵抗疾病，但通常也会导致产量下降。 

对制造抗白粉病但可以生产正常数量谷物的小麦感兴趣的研究人员面临着寻找新的前进方向的挑战。 在激动人心的 新的研究，他们能够敲除一个易感基因以及一个被认为会影响产量的额外编辑。 本研究针对的易感基因是在番茄、葡萄和小麦中经过自身编辑的基因。 这两种编辑以前从未一起进行过，并且一起产生了抗白粉病的小麦而没有产量损失。 除了提供一种新型的抗性高产小麦外，这项研究还表明，易感基因编辑并不总是意味着较低的产量。

随着气候变化，预计传染病将变得更加严重。 气候变化可以创造更有利于人类生存的环境 病原体 以及有助于传播这些病原体的媒介，如昆虫。 这项研究表明，如果有策略地应用，基因编辑可以帮助植物和动物抵抗疾病——而不会造成产量损失。 

用 CRISPR 研究猪病毒

A 型塞内卡病毒 (SVA) 是养猪业中一种破坏力越来越大的疾病。 越来越了解这是怎么回事 病毒 在...工作 猪 可以帮助研究人员制定管理其传播的策略。 

在最近的 根据一项研究，, CRISPR 被用来去除一个名为 ANTXR1 的猪基因的功能。 该基因被认为是猪中 SVA 的受体。 事实上，使用 CRISPR 破坏 ANTXR1 基因导致猪的病毒水平显着降低。 不幸的是，经过这种编辑的猪有其他不良特征，例如出生时患有白内障。 

在这种情况下，简单地去除该基因的功能并不是预防感染的可行选择。 改进的理解 病毒 通过 CRISPR 促进的感染可能有助于开发新的猪病毒缓解策略。

大图

今年，有史以来第一次向公众提供多种基因编辑食品！ 登上日本购物者货架的是经过基因编辑的红海鲷、河豚和富含 GABA 的西红柿。 USDA 和 FDA 允许的新品种和品种，如较温和的芥菜和耐热奶牛，可能会在未来几个月或几年内提供给消费者。

随着全球不同国家勾勒出清晰的商业化路径，我们可以期待更多产品进入杂货店。 印度、肯尼亚和菲律宾 今年加入了越来越多的国家制定基因编辑作物法规的行列。 如果没有明确的规定，基因编辑产品就无法合法商业化。 这些新政策通过提供商业化渠道，是扩大基因编辑食品全球影响力的重要一步。 在过去的几十年里，监管 转基因 产品在很大程度上取决于欧洲的运动。 相比之下，针对亚洲和非洲基因编辑产品的新法规标志着权力转向更大的市场自主权。 

除了新的扶持政策外，技术进步还将加速新的基因编辑作物和牲畜的发展。 目前，基因编辑主要用于进行基因“敲除”。 CRISPR-Combo 等技术的出现可以帮助研究人员更有效地进行其他类型的基因改变，例如“向上”基因或添加新的 DNA 序列，使我们更接近于最终利用 CRISPR 的全面、多功能的能力。 

需要注意什么

展望未来，我们可以预期 CRISPR 编辑的作物和牲畜将在未来几年内继续出现在文献、实验室甚至我们的市场中，旨在获得与气候适应、消费者质量改善和产量提高相关的性状. 留意那些超越简单“敲除”而支持精确基因插入的基因编辑， 基地 编辑，或同时进行多种类型的编辑：这些将代表越来越多地使用技术上更复杂的编辑。 这 欧洲，它对基因编辑产品有一些最严格的规定，表明他们正在为为可持续性而编辑的作物制定快速审批程序。 我们还期待美国政策的更新，以及南美洲、亚洲和非洲国家将继续制定新的基因编辑法规。  

CRISPR 的技术力量是无可争议的。 但最终影响仍有待观察：影响取决于实施，包括有利的监管、种植者教育、公众理解和接受。 不仅仅是技术创新，而且驾驭食品系统复杂的社会政治格局，这对于基因编辑如何以及在多大程度上扎根成为我们食品系统的支柱至关重要。

By 尼古拉斯·卡拉沃利亚斯

尼古拉斯·卡拉沃利亚斯 (Nicholas Karavolias) 获得理学士学位他在康奈尔大学获得农业科学博士学位，然后在加州大学伯克利分校植物和微生物生物学系攻读研究生。 2023年获得博士学位。在 Staskawicz 实验室，他的研究重点是基因编辑在适应气候变化中的应用。尼古拉斯在科学推广方面也拥有丰富的经验，是加州大学伯克利分校 2023-2024 年的研究员 Kavli 伦理、科学和公众中心.