工程设备

种植具有所需性状的植物的多种方法

词汇
选择性育种， 突变、诱变、转基因、转基因/GM/GMO

选育

植物基因改造努力——以改善风味、产量等——在人们知道什么之前几千年就开始了 的DNA 曾是。 例如，为了开发现代玉米，今天墨西哥的古代农民选择性地种植了稀有的玉米变种。 特奥辛特，一种更瘦、更草的植物。 他们的努力可能看起来像这样：

• 他们为它的种子种植了很多大蜀黍
• 他们注意到一些稀有植物具有他们喜欢的品质，比如更大、更多汁的果仁
• 他们从具有所需性状的植物中培育和种植种子，从而增加了该性状在种群中的频率
• 当他们发现更多具有有益特性的植物时，他们重复了这个过程，比如每株植物的籽粒数量更多，从而产生了我们认为是玉米的作物

这个过程叫做 选育。它依赖于具有所需特征的变体的自然出现，这些变体是由繁殖过程中自然发生的偶尔随机 DNA 变化或突变引起的。几十年或几个世纪以来，农民通过交配保留和混合这些稀有的所需特征，并生产出具有他们想要的特征的植物。请记住，DNA 编码了赋予植物特定特征的蛋白质：通过选择性育种来改变性状，农民实际上是在选择和培育具有他们想要的 DNA 变体的植物。

选择性育种在人类文明史上具有非常重要的意义，它创造了产量更高、营养更好、农业更高效的作物。 与野生作物相比，通过选择性育种创造的作物也往往比野生作物尝起来更苦、更甜，从而吸引我们的味蕾。

诱变/诱变育种

导致可见性状变化的 DNA 变化自然发生，但很少发生。 植物育种者也使用 突变育种 or 诱变 — 产生大量随机 DNA 变化的技术 — 使它们出现得更快。 这通过将植物暴露于辐射或应用引起随机 DNA 变化的诱变化学物质来起作用。 一些 DNA 变体对生物体没有明显的影响。 有些会导致新的但不受欢迎的特征。 有些会带来新的理想特征。 研究人员筛选了数千种植物，以找到具有所需特征的个体。 与传统的选择性育种一样，这些个体被培育和繁殖，直到研究人员拥有可靠地显示所需性状的菌株。 一个众所周知的例子是红宝石葡萄柚，它是在 1970 年代使用辐射诱变技术开发的。  

突变育种比选择性育种更快，但与选择性育种一样，突变育种也依赖于寻找由随机变化产生的理想性状。选择性育种和 DNA 诱变技术既费时又费力。有时，当对特定性状很重要的基因或其他 DNA 序列在 DNA 中彼此接近时，随机的不良变化会与理想变化一起出现。例如，研究人员发现，对小麦植株高度很重要的 DNA 序列紧挨着对籽粒大小很重要的另一个 DNA 序列。如果他们拥有一株高大的植株，但籽粒较小，那么获得一株高大的植株和大籽粒就非常困难了。

超越随机变化

基因组 工程 方法——即对 DNA 进行有针对性的而不是随机的改变——可以大大加快生产具有所需性状的植物的过程。

转基因

为了有针对性地培育出具有所需特性的植物，植物育种者可以使用各种基因改造技术来有意改变植物的 DNA。他们可以利用这些技术来改变、删除或添加蛋白质。这些蛋白质可发挥细胞功能，从而产生他们想要改变的特性。

在最近的过去，使用这些经典的基因修饰技术，添加新的 DNA 序列比编辑现有的 DNA 要容易得多。 这些具有新序列的修饰植物通常含有来自其他生物的一些DNA序列，有时被称为“外来DNA”。 具有来自另一个生物体的 DNA 的生物体被认为是 转基因. 研究人员可以快速制造转基因植物，与使用依赖随机 DNA 变化的方法创建的植物变体相比，它们通常具有更少的意外性状。

| 你可能听说过“抗虫植物”。这些农作物含有来自 菌 （“Bt 基因”）使它们对昆虫有毒，但对人类无毒。 在种植 Bt 作物时，农民不再需要使用传统杀虫剂，这些杀虫剂成本高昂，农场工人吸入或处理有毒，并污染附近的土壤和水。

当人们谈论 转基因植物 or 转基因作物 or 转基因生物如今，人们通常谈论的是转基因。尽管多年的科学研究表明，目前市场上的转基因作物是可以安全食用的。然而，转基因一直难以获得消费者的青睐：有些人担心其食品安全，或反对将基因从一个物种转移到另一个物种的想法。从开发者或农民的角度来看，实际结果是许多国家对转基因植物的监管比非转基因植物更为严格。转基因植物生产商必须花费大量金钱和时间来证明其产品是安全的，并且无论有没有这些数据，都有可能招致消费者的强烈反对。

利用 CRISPR 创造具有特定性状的植物

研究人员可以使用 CRISPR 基因组编辑技术来培育具有特定所需特性的植物。研究人员使用 CRISPR 精确改变已知与特定特性相关的植物 DNA 序列，以培育具有所需特性的植物。 

由于它们非常精确，CRISPR 工具避免了旧植物育种技术的许多负面影响。 CRISPR 工具可用于在不添加任何外源 DNA 的情况下对植物 DNA 进行更改。 相反，它们可用于对植物中已有的 DNA 进行小幅编辑。 监管机构对这些非转基因、基因组编辑的植物的监管不那么严格，因为它们具有可能自然发生的 DNA 序列：CRISPR 工具只是加快了这一过程并提高了精度。

尽管 CRISPR 工具很有用，但它们还不能有效地替代旧的转基因工具，例如用于创造 Bt 作物的工具。 目前，除了育种方法，CRISPR 和旧的转基因工具在作物基因改造中将继续发挥重要作用。 随着 CRISPR 工具的不断发展和完善，它们可能会取代旧的工具来创造转基因作物。

为植物提供 CRISPR

研究人员可以利用细菌、分解植物，将 CRISPR 工具植入植物细胞 细胞 墙壁，或将 DNA 射入植物细胞

词汇
递送，农杆菌，原生质体，基因枪递送， 基因 枪, 纳米管

研究人员利用 CRISPR 基因组编辑植物来了解植物生物学并解决农业问题。研究人员用于创建基因组编辑植物的过程与用于创建基因组编辑微生物、动物细胞或动物的过程略有不同。其中一个主要原因是植物的细胞壁很难绕过。因此，开发将 CRISPR 基因组编辑工具递送到不同植物物种的协议需要时间。 

研究人员使用三种主要方法向植物提供 CRISPR 工具：

• 农杆菌递送
• 原生质体递送
• 基因枪递送/基因枪

农杆菌输送

在这种方法中，研究人员使用特定的细菌， 农杆菌，作为“快递员”。首先，研究人员将 CRISPR 工具编码到特殊的环状 DNA 片段中。这些是农杆菌将要递送的“包裹”。接下来，他们使用化学或电击绕过植物的细胞壁，将这些环状 DNA 片段放入农杆菌中。然后他们让农杆菌与植物细胞一起生长。

随着它们的生长，农杆菌会产生微小的蛋白质针。 他们使用这些针头将 DNA 包裹注入植物细胞。 植物细胞读取该 DNA 并制作编码的 CRISPR 工具。 然后这些工具开始编辑植物 DNA。

这种方法适用于多种植物，但也有一些缺点。特别是，注入的 DNA 会插入植物基因组中的随机位置。因此，编码的 CRISPR 工具在完成​​所需的 DNA 改变后仍会保留下来。工具保留的时间越长，它们进行不必要的编辑的可能性就越大。这些植物也被视为转基因植物，因为编码 CRISPR 工具的 DNA 源自细菌。 

研究人员可以使用其他技术从他们编辑的植物中删除 CRISPR 工具。 例如，他们可以用未改变的植物培育改变的植物。 一些由此产生的后代将仅继承具有所需变化的 DNA，而不是 CRISPR 工具。 这些技术是有效的，但需要大量的精力和时间。

原生质体输送

像城堡墙一样，植物细胞墙保护植物并为它们提供结构。 它们还阻止科学家使用蛮力——化学和电击——将 DNA 导入植物细胞。 因此，研究人员已经开发出去除植物细胞壁的方法。 科学家称由此产生的无壁植物细胞 原生质体。 科学家们可以更容易地将 CRISPR 工具传递给原生质体。 然后这些工具会改变或编辑原生质体 DNA。 在进行所需的改变后，科学家有时可以从改变的原生质体中长出完整的植物，尽管这对大多数植物来说仍然相当具有挑战性。

通过原生质体递送，科学家可以递送编码 CRISPR 工具的 DNA，但他们也可以递送即用型 CRISPR 酶和 RNA 引导分子。这些即用型工具可以编辑植物 DNA，但不会插入植物 DNA。这样研究人员就不必在之后采取额外步骤从改造后的植物中移除这些工具。

原生质体递送是有效的，但目前很难从原生质体重建完整的植物。 这种方法并不总是适用于培育植物，但它是在实验室环境中研究不同基因组变化的有效方法。

基因枪

In 基因枪法 交付时，研究人员使用 基因枪. 研究人员将带有 CRISPR 工具涂层的微小金颗粒装入基因枪。 这些工具可以是 DNA、RNA 和/或即用型 CRISPR 酶的形式。 然后他们向植物细胞发射粒子。 颗粒直接穿过植物膜和细胞壁。 然后，CRISPR 工具脱离粒子并开始编辑植物 DNA。

基因枪法可用于多种植物。 然而，如果研究人员使用基因枪法提供 DNA，事情就会变得有点混乱。 植物细胞可以将许多拷贝的递送 DNA 插入到它们自己的 DNA 中。 这可能导致编码的 CRISPR 工具的生产无用或有害。 它还可能使工具难以在以后移除。

CRISPR 基因编辑技术的未来

除了这些更常见的方法，科学家们正在开发其他方法，包括 纳米管 作为运载工具。 纳米管是微小的碳基结构，科学家可以用即用型 CRISPR 工具对其进行涂层。 当与植物细胞一起生长时，这些管子会刺穿细胞。 然后，CRISPR 工具从试管进入植物细胞并开始编辑植物 DNA。 随着研究人员改进他们的纳米管，也许他们会篡夺上述技术——我们将不得不拭目以待！

CRISPR在植物中的应用

CRISPR工具可用于研究、营养、生物制造、保护等

词汇
生物质、遗传遏制、无性繁殖

利用 CRISPR 工具改变性状

CRISPR 基因组编辑工具在植物中有许多应用：研究人员使用它们来了解有关植物生物学的更多信息。 植物育种者使用它们来培育具有理想性状的作物。 科学家甚至可以使用它们将植物变成绿树成荫的制造设施。 研究人员不断发现基因编辑在植物中的新应用，其中许多远远超出了农业。 您还能想象到哪些其他应用？

植物研究中的 CRISPR 工具

DNA序列编码赋予植物特定特征的蛋白质。 几千年来，农民一直在选择性地培育植物以获得所需的性状，但我们仍有很多关于植物遗传学的知识。 科学家们通常知道一些与特定植物性状相关的 DNA 序列，但他们可能无法准确了解单个 DNA 序列的作用或可能涉及的其他基因或序列。 CRISPR 工具可以帮助他们解决这个问题。 

例如，研究人员可以利用 CRISPR 工具“破坏”植物 DNA 序列。然后他们可以看到这种破坏如何影响他们感兴趣的性状。这有助于揭示被破坏的 DNA 编码部分的功能。请参阅“破坏基因以了解它们的作用” CRISPR技术 章来深入回顾这个概念。

在压力条件下促进增长

世界人口正在增长。 与此同时，气候变化使许多重要粮食作物的种植变得更加困难。 因此，研究人员和农民需要弄清楚如何使农业适应不断变化的，有时甚至是越来越恶劣的环境条件。 

研究人员正在积极开展这项工作，并发现了一些 DNA 变体，可以提高作物对极端环境（包括干旱）的抵御能力。 他们正在使用 CRISPR工具 在玉米、小麦、大米和甘蔗等重要主粮作物上做出这些改变。 其中一些作物目前正在田间进行测试，未来还会有更多。

提高抗病虫害能力

像我们一样，植物也会受到感染。 它们也可以被害虫吃掉。 总之，这些因素给农民造成了巨大的收成和收入损失。 他们甚至可以消灭整个植物品种。 基因组编辑技术是农民可以用来对抗害虫和植物疾病的一种工具。

多年来，农民一直在种植抗虫转基因作物。 通常，这些作物会产生杀死或驱除昆虫的细菌蛋白质，从而防止作物被害虫吃掉。 “BT作物”经过工程改造，可从细菌中产生毒素 苏云金芽孢杆菌，一种天然杀虫剂，可保护农作物免受害虫侵害，但对人类无害。

农民还种植抗除草剂转基因作物。 这些作物产生的细菌蛋白质使它们能够抵抗杀死植物的化学物质。 这使农民可以使用除草剂来杀死杂草而不损害他们的作物。 这些转基因作物的特性来自于向植物中添加了非植物的细菌 DNA。 换句话说，它们是转基因的。

CRISPR 基因组编辑有时可以通过有针对性地编辑植物自身的 DNA 而不是添加非植物 DNA 来创造具有类似特征的植物。例如，许多病毒需要植物蛋白来生长、繁殖和传播。研究人员可以使用 CRISPR 工具破坏或改变植物蛋白，使其具有特定的 病毒 喜欢利用。 结果，病毒将无法在经过编辑的植物中传播。 类似的技术可以使植物抵抗有害细菌、真菌和昆虫。

仔细看看

CRISPR工具能制造转基因植物吗？ 

CRISPR是一种工具。 它是制造基因组编辑植物还是转基因/转基因植物取决于它的使用方式。 如果它用于编辑植物天然具有的 DNA，则生成的植物 是不是 转基因/转基因。 如果它被用来添加来自不同物种的 DNA，那么由此产生的植物 is 转基因/转基因。

例如，研究人员正在研究使用 CRISPR 工具通过非转基因和转基因方法增强植物的天然防御能力。与人类一样，植物也有免疫系统来保护它们免受致病微生物的侵害。CRISPR 工具可用于通过编辑植物中已有的 DNA 序列来“增强”植物的免疫防御能力（​​非转基因）。它们还可以在不同植物物种之间调换防御蛋白（转基因），甚至可以将来自其他生物的新防御系统插入植物中（转基因）。

改善商业地产

我们今天拥有的许多植物都是通过选择性育种和 DNA 诱变技术培育出来的，但这些技术有时会带来负面副作用。当你不想要的特性与你想要的特性同时出现时，就会产生这些副作用。从分子水平上讲，这种情况之所以会发生，是因为一种特性的 DNA 与另一种特性的 DNA 相邻，因此它们会一起遗传下来。

负面副作用的一个例子是超市的许多大红番茄品种。 农民将这些西红柿培育得既漂亮又便于运输，但不会变成糊状，但它们已经失去了很多味道。 更精致的传家宝番茄品种具有更甜、更明亮的味道，但不能很好地运输。

研究人员或许能够使用 CRISPR 工具来纠正这些负面影响，以使作物对消费者更具吸引力的方式改进作物。 例如，研究人员最近发现了负责使番茄风味愉悦的 DNA 序列。 借助 CRISPR 工具，他们或许能够编辑或恢复这些序列，从而制作出更美味的大型超市西红柿。

CRISPR工具可以改变水果和蔬菜性状的其他一些方式包括：

• 防止瘀伤
• 延长保质期
• 创造无核果实
• 改变颜色/外观/风味
• 改善营养状况
• 脱咖啡因的咖啡

除了这些对消费者友好的改进——或不友好的，取决于你喜欢你的咖啡——研究人员还可以让植物更容易种植。 例如，他们可以改变茎的高度以防止作物倒下或防止植物散播种子。

提高植物生产力

植物利用光合作用将阳光转化为能量，帮助它们生长，产生构成它们的茎、叶、种子和果实 生物质能为了为世界不断增长的人口生产粮食和原材料，农民需要找到种植更多植物生物质的方法。为了保护我们的自然环境，他们必须使用更少的资源。

不同种类的植物有不同的光合作用系统。 一些细菌也有自己的光合作用系统，其中一些系统在将阳光转化为能量和生物质方面比其他系统更有效。 研究人员正在使用 CRISPR 工具编辑参与光合作用的蛋白质，以生产出更善于将阳光转化为生物质的植物，帮助农民养活世界。

改善营养

世界各地的人们都饱受营养不良之苦。 研究人员可以使用 CRISPR 工具来创造更有营养的植物品种。 例如，它们可以使一些植物产生更多的维生素，例如所谓的“金香蕉”，由于其β-胡萝卜素的增加而具有更丰富的颜色。 它们可以使一些植物更容易被人类和其他动物消化。 它们甚至可以去除过敏原和毒素； 例如，研究人员正致力于去除花生中的致敏蛋白和木薯中的氰化物。 如果用于这些目的，CRISPR 工具可以为更多人提供更有营养、更安全的食品。

将植物变成生物工厂

研究人员和生物技术公司利用细胞制造抗体、胰岛素和疫苗等治疗剂以及其他有机化合物。他们通常使用细菌和酵母细胞进行这些过程，但对于某些产品，研究人员会使用植物。例如，实验性埃博拉 疫苗ZMapp 是利用烟草植物生产的。

CRISPR工具可以更容易地将植物变成治疗工厂。 使用这些工具，科学家可以快速设计治疗编码 DNA 并将其插入植物中，从而产生有效和高效的治疗生产。

研究人员还可以使用植物来制造工业化学品。 例如，他们可以使用 CRISPR 工具让植物产生更多的天然油脂。 他们还可以改变这些油类，使它们对人类更有用，包括用于燃料、润滑剂、香精和香料的成分。 还可以改变植物的糖含量，使改变后的植物更容易发酵成乙醇等产品。

基因遏制

有些人担心经过基因改造的植物会将改变的 DNA 传播给野生物种。如果改变的植物能够与附近的野生植物繁殖，这种情况可能会发生。农作物与野生植物的基因差异往往太大，无法与野生植物繁殖。许多传统的植物育种实践，包括普遍使用不育杂交作物，也阻止农作物与附近的野生亲属繁殖。这被称为 基因遏制. 遗传遏制方法可以与物理遏制方法一起使用，这些方法在改变的植物和它们的野生对应物之间放置距离或物理结构，如墙壁。

CRISPR 工具可用于创造新的转基因作物基因控制方法。例如，研究人员可以创造不产生可行花朵或花粉的植物。对于被子植物来说，花朵含有植物的生殖器官，没有它们，它们就无法进行有性繁殖。例如，加利福尼亚州尤洛县的有机农民用不育花粉种植向日葵，这样它们就不会与附近种植的用于种子的向日葵进行异花授粉。或者，农民可以无性繁殖许多作物。在 营养繁殖，农民砍掉了可以长成完整植物的部分植物。 这允许植物在不与邻近植物品种或野生物种意外杂交的情况下繁殖。

气候变化和保护编辑

气候变化是当今人类面临的最大挑战，研究人员正在寻找所有可能的工具来帮助社会适应和扭转这种影响，包括 CRISPR 基因组编辑。 研究人员正在使用 CRISPR 工具以三种核心方式应对气候变化： 

1. 帮助作物适应不断变化的气候条件——研究人员正在使用 CRISPR 工具开发能够抵御干旱、温度升高和盐度升高的作物。 
2. 减少农业温室气体排放。微生物是农业温室气体排放的最大来源。研究人员正在使用 CRISPR 工具研究这些 微生物 社区，或“微生物群落”。点击此处了解更多信息： 
3. 使用基于 CRISPR 的基因组工程来增强植物和土壤从大气中捕获碳并将其长期储存的自然能力。 增加植物生物量不仅有助于提高农业效率，还可以减少对化学肥料的需求并从大气中捕获更多的碳。 

在保护方面，各种野生植物物种受到害虫和感染的威胁，而且由于气候变化，这些威胁正在增加。

例如，在美国西部，气候变化正在增加针叶树中树皮甲虫的数量，这反过来又使野火问题变得更糟。 在美国东海岸，一种真菌 病原 这导致板栗枯萎病在 4 世纪杀死了超过 20 亿棵美国板栗树，破坏了野生生态系统并影响了依赖它们的社区。 CRISPR 工具可能被用于使这些物种具有抗虫害或抗感染能力，有助于恢复生物多样性并有助于植物保护。  

🎥 | 详细了解美洲板栗和恢复它的不同方法：杂交、基因工程和基于 CRISPR 的基因组编辑。

CRISPR 工具的潜力伴随着可能的生态影响和伦理问题。研究人员和受影响的社区在将转基因物种放归野外之前必须考虑这些影响。这些担忧与《自然》杂志上对基因驱动的深入描述类似。 CRISPR技术 该资源的一章，包括改良植物可以改变整个物种； 对与这些物种一起生活并将它们用于食物、实际或精神目的的人类的影响； 以及整个生态系统不可预测的连锁反应。 任何将改良物种纳入自然生态系统的决定都必须与受影响的社区共同做出。

CRISPR 工具在植物中的未来应用

我们才刚刚开始基于 CRISPR 培育能够对抗害虫、养活更多人、生产治疗性化合物等的植物。 我们可能很快就会看到这些努力的影响。 未来几年将出现更多 CRISPR 工具的创造性应用。

工程农场动物

生产具有所需性状的牲畜的多种方法

词汇
选择性育种、常规育种、胚胎、嵌合体、马赛克、体细胞核移植/克隆、克隆、 体细胞, 细胞核/细胞核, 多能性

与植物一样，动物基因改造工作（旨在驯化农场动物，使其更容易放牧，产出更多的牛奶或肉类）早在人类了解 DNA 之前数千年就已开始。在本节中，您将了解从古代到现代改变动物 DNA 的不同方法，以及 CRISPR 基因组编辑如何彻底改变农业动物基因改造。

传统牲畜养殖

我们今天饲养的牛、猪、鸡、绵羊和山羊与它们的野生祖先有很大不同。农民饲养不同品种的牲畜用于特定目的。例如，产蛋鸡（“蛋鸡”）产的蛋比产肉鸡（“肉鸡”）多，而产肉鸡的肌肉质量更大，可供食用。 

农民和后来的工业化农业公司通过以下方式实现了这种畜牧专业化水平 选育. 这在牲畜中发生的过程与在农作物中的过程相似：它们等待所需的特征在其动物中自然出现。 然后他们选择性地与具有该特征的动物交配。 经过多代交配后，农民获得了具有良好混合特性的品种以用于特定目的。 这也被称为 常规育种.

虽然几千年来选择性育种一直以不同的形式进行，但工业化动物农业是美国最大的产业之一。 例如，纯种牛是高度专业化和跟踪行业的一部分。 有所有产生精子的公牛的登记册以及它们的遗传信息和独特的品质。 商业农民从这些育种者那里订购精子并对奶牛进行人工授精，跟踪后代的经济表现。 其他牲畜也有类似的工业系统。 

现代传统育种使用遗传信息，偶尔使用较旧的基因组编辑技术。 CRISPR 刚刚开始成为工具包的一部分。 通过使用 CRISPR 工具，农业公司开始快速培育出具有所需或新特性的牲畜品种。 继续阅读以了解研究人员将 CRISPR 工具纳入动物农业的不同方式。

胚胎基因组编辑

研究人员希望通过改变动物 DNA 来改变牲畜的性状。 当受精卵开始分裂时，科学家称产生的细胞团为 胎. 研究人员可以用 CRISPR 分离胚胎并改变它们的 DNA。 然后可以将这些胚胎植入代孕母亲体内，并长成具有所需特征的完整动物。 胚胎编辑的缺点是 嵌合体 和低效的编辑：

• 马赛克 – 胚胎由多个细胞组成，每个细胞的细胞核中都有两个基因组副本（通常，每个亲本各一个）。当将 CRISPR 或其他基因组工程工具应用于胚胎时，它们通常能够改变基因组的某些副本，但无法改变每个细胞中的每个副本。因此，从改变的胚胎中生长出来的动物通常不会有 100% 改变的细胞。它们有一些细胞的 DNA 发生了改变，而一些细胞的 DNA 则没有改变：这种混合被称为基因嵌合性。嵌合动物可能会表现出所需的特性，但它们能否将其传递给后代取决于它们的精子或卵细胞是否发生了 DNA 变化。或者它们可能不会表现出所需的特性，但如果它们的精子或卵细胞发生改变，它们仍然能够将其遗传给后代。
• 低效的编辑 – 在进行基因组工程研究时，科学家可以使用许多细胞。他们可以尝试多次改变 DNA，直到找到正确的结果。他们还可以检查实验室培养的细胞，以找到具有所需变化的稀有细胞。在编辑胚胎时，科学家只有少数胚胎可以使用，很难改变足够多的胚胎以产生正确的 DNA 变化。随着技术的进步和编辑效率的提高，更多的 DNA 变化将可行。

克隆

你可能听说过 克隆. 长期以来，克隆一直引起农民和畜牧业的兴趣，作为繁殖已经具有所需特征的动物的一种方式。 通过遗传而不是使用抗生素、生长激素或其他药物来获得健康、高肌肉质量和高生育力等特征，通常是育种者和消费者的首选。 通过克隆，家畜饲养者可以创建现有动物的基因副本。 在基因层面上，这就像创造了一个同卵双胞胎。

在动物克隆中，研究人员使用称为 体细胞 创建相同的 克隆。这个过程利用了一种称为“体细胞核移植”（SCNT）的技术。科学家在创建基因组编辑动物时广泛使用 SCNT。

请记住，动物细胞有子隔间。这些子隔间就像遍布细胞的微小“房间”。其中一个房间称为 核（复数：细胞核）它包含细胞的 DNA。

卵子和精子在受精过程中结合它们的细胞核。 结果，他们的 DNA 混合在一起。 然后受精卵生长并分裂形成最终长成小动物的胎儿。 这些动物的所有细胞都含有来自其亲本卵子和精子的 DNA。

SCNT 绕过了受精过程。 精子和卵细胞不会在 SCNT 中结合。 相反，研究人员从受精卵中取出细胞核，并用成体细胞的细胞核代替它。

鸡蛋的新核心就像它的新 CEO。 一旦植入代孕母亲体内，卵细胞仍会长成完整的动物。 但它是在捐赠的细胞核及其 DNA 的指导下这样做的。 因此，卵子形成了一种与捐赠细胞核的动物在基因上相同的动物：克隆。 这就是在 1990 年代创造了著名的绵羊多莉的过程。

你可知道？

你好，多莉！

多莉是一只 1996 年出生的雌性绵羊，它是第一只通过将成年细胞的细胞核移植到受精卵中而克隆出来的哺乳动物。克隆之前也曾有过几次，但捐赠的细胞核来自其他胚胎细胞。胚胎细胞具有“多能性”，它们能够变成体内的任何一种细胞。成熟的成年细胞，如构成骨骼、肝脏或心脏的细胞，具有明确的细胞身份。当时，大多数科学家认为不可能用成年细胞的细胞核制造出完整的生物体，但多莉登上了报纸和杂志的封面，证明了事实并非如此，并开启了一个充满可能性的新世界。详细了解多莉羊的影响 点击这里.

SCNT 在技术上非常具有挑战性，而且在 SCNT 上的尝试通常不会成功。 有时卵子在着床后死亡。 即使成功植入，它们也经常在胎儿发育过程中死亡。 许多通过发育成功的克隆动物只能活很短的时间。 研究人员继续改进他们的技术，以获得更好的 SCNT 成功率。 

尽管存在这些挑战，研究人员有时还是可以使用 SCNT 创建具有编辑 DNA 的动物。 首先，他们从成年动物身上分离细胞。 然后他们在实验室中培养这些细胞。 在实验室中，他们可以使用 CRISPR 工具来编辑细胞的 DNA。 后来，他们从这些编辑过的细胞中取出细胞核，并在 SCNT 中使用它们。 任何具有编辑 DNA 的成年动物都应显示其编辑的 DNA 中编码的所需性状，并能够将该性状传递给它们的后代。

精子基因组编辑

在上述策略中，科学家在将细胞植入替代物之前会对其进行改造。 成功的植入有很多后勤挑战。 特别是，代孕母亲必须在生物学上为植入做好准备。 即便如此，植入受精卵或胚胎的成功率远低于传统的受精方式——通过交配。 

为了绕过这一挑战，研究人员有时会改变雄性动物，使其无法产生自己的精子，而不是改变卵子或胚胎。然后，他们可以为雄性动物提供精子干细胞，这些干细胞经过改造后可以产生具有所需特征的精子。然后，这些雄性动物就可以自行寻找雌性动物并进行交配，最终通过常规繁殖创造出经过改造的动物。著名动物生物技术研究人员 Alison Van Eenennaam 将此称为“有腿的人工授精”。

CRISPR在畜牧业中的应用

CRISPR工具可用于确定后代性别、增加肌肉质量、提高抗病能力、提高耐热性等。

基因组编辑在畜牧业中的当前和未来应用

使用 CRISPR 酶进行有针对性的 DNA 编辑，只需一代人就可以制造出具有所需性状的牲畜。 研究人员希望培育出具有许多新特征的牲畜品种。 提到的许多应用旨在提高工业化农业的效率并提高产量和利润，而其他应用则针对消费者重视的特征。

后代性别

• 黄牛 只产生一种性别的后代：
  • 与鸡一样，特定品种的牛生产高质量的肉。 在这些品种中，雄性比雌性生产更好的肉。 因此，一些农民宁愿只获得雄性后代，以增加他们生产的优质肉类的数量。 研究人员正在使用 CRISPR 工具将 DNA 序列插入该品种的一些公牛中，以便它们只有雄性后代。 所有这些雄性都应该生产高质量的肉。
  • 在印度，法律禁止屠宰牛，牛在该国大多数居民信奉的印度教中是神圣的，但奶牛仍然很有价值。养公牛的人经常把它们赶到街上，因为喂养和饲养它们是一项负担。基因编辑只产生雌性后代被认为是一种潜在的解决方案。

• 鸡 如果鸡蛋中含有雄性，则会发红光： 产蛋鸡品种的雌性比雄性更有价值。 事实上，农民经常对这些品种的雄性实施安乐死。 如果农民能在孵化前识别出雄卵，农民就可以优先保留雌卵用于繁殖，并出售雄卵供食用。 澳大利亚的研究人员正在使用 CRISPR 工具使雄性鸡蛋在一种特殊的光线下发红光，以便进行快速分类。

增加肌肉质量

动物的肌肉质量部分决定了它生产的肉的质量。 一些农民希望增加牲畜的肌肉质量，以使用更少的资源生产更多和高质量的肉类。

研究人员知道一种特殊的 DNA 序列可以抑制肌肉的产生。 他们计划使用 CRISPR 工具去除或禁用该 DNA 序列。 结果，具有这种改变的动物应该长出更多的肌肉。 事实上，研究人员已经在猪、兔子和山羊身上使用了 CRISPR 工具。 在某些情况下，存在权衡：由此产生的动物肌肉质量增加，但也存在健康问题。 其他案例则更为成功：2022 年，日本批准了一种基因编辑的鲷鱼的销售，在使用 CRISPR 敲除一个基因后，该鲷鱼的肉产量增加了 20%。 这方面的研究正在进行中。

提高抗病能力

牲畜有时会感染。特定病原体，如某种细菌或病毒，会利用特定的 蛋白质 位于细胞外部，有点像是细胞自己的门把手。研究人员正在使用 CRISPR 工具删除牲畜中编码这些“把手”的 DNA 序列，使它们能够抵抗某些传染病。牛结核病和猪蓝耳病毒是目前研究的两个目标，这两种呼吸道疾病在动物被关在狭小的空间里时都会迅速传播。

提高耐热性

高温对牲畜来说是危险的。高温会降低牛的产奶量，甚至导致中暑。“光滑”牛（毛发较短、较亮）是加勒比海地区自然发现的一种变种。它们独特的皮毛有助于在高温下保持凉爽。研究人员已经确定了造成这种特性的基因变异，并使用 CRISPR-Cas9 编辑在美国肉牛中复制了这种特性，这些特性可能会在未来几年内进入消费者市场。

编辑后的光滑肉牛可用于使牛牧场适应迅速变暖的地球，或在牛不是本地人的炎热气候中建立牛群。

去除过敏原

研究人员知道一些使人们对动物产品过敏的细胞蛋白。 他们希望使用 CRISPR 工具删除或禁用编码这些蛋白质的 DNA。 以这种方式改造过的动物生产的产品应不易引起过敏。

对牲畜基因组编辑的伦理担忧

有些人对基因组编辑牲畜持谨慎态度。从动物福利的角度来看，人们担心基因组编辑将被用于进一步推动令人不安的工业农业实践。拥挤就是一个很好的例子：给动物足够的活动空间并将它们关在干净的地方是防止呼吸道疾病传播的有效方法，但经济激励驱使工业农业将动物拥挤在一起。对动物进行编辑以避免传播常见疾病可能会导致它们被挤在更狭窄、更不卫生的环境中，从而最大限度地提高利润而不是动物福利。其他人对编辑动物和人类是否是“扮演上帝”以及在其他哺乳动物中完善的基因组工程技术最终可能用于人类这一事实存在伦理担忧。还有其他伦理担忧集中在环境危害和动物农业已经很大的气候影响上。在考虑是否应该使用 CRISPR 编辑牲畜时，必须讨论这些问题。

转基因牲畜的未来

这只是我们使用 CRISPR 基因组编辑在牲畜中获得新特征的许多方法中的一小部分。 另一个活跃的研究领域是使用基因组编辑通过改变在动物肠道中产生甲烷的微生物群落来减少牲畜对气候变化的影响。

从历史上看，要获得批准供人类食用的转基因动物一直很困难。 部分原因在于，较老的转基因动物通常是转基因动物，插入了其他物种的 DNA 序列，在某些国家/地区自动归入特殊的监管类别。 相比之下，许多使用 CRISPR 工具进行的 DNA 改变可能来自传统育种，只是需要更长的时间。 在这一点上，美国对 CRISPR 编辑动物的规定也很严格。 目前，中国在这方面处于领先地位 畜牧业应用.

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