浅谈基因编辑技术在农作物领域中的应用与问题探究

邹丹丹

【摘   要】 随着ZFN、CPISPR/Cas9等基因编辑技术的发展和运用，大量基因编辑作物生产出来，这种背景下，基因编辑作物的检测及安全成为重点研究问题。本文主要围绕基因编辑技术在农作物领域的应用、针对基因编辑农作物的安全评价监管、基因编辑农作物的检测等方面展开讨论，具体分析了基因编辑技术在农业领域的应用现状，并以保障农作物食用安全为主，加强基因编辑作物有关问题的研究，促进农业领域良好发展。

【关键词】基因编辑技术;农作物领域;应用分析

Discussion on the Application and the Problem of the Gene Editing Technology in the Field of Crop

Zou Dandan

（Weihai Marine Vocational College   264300）

[Abstract] With the development and application of gene editing technology such as ZFN，CPISPR/Cas9， a large number of gene editing crops have been produced. Under this background， the detection and safety of gene editing crops has become a key research issue.  In this paper， the application of gene editing technology in agriculture was analyzed in detail， and the main purpose was to ensure the food safety of crops， to strengthen the research on related problems of gene editing crops， and to promote the good development of agricultural field.

[Keywords] gene editing technology; crop field; application analysis

近年来，农作物转基因技术得到了快速发展，将基因编辑技术應用在农作物育种上，能得到多个新的生物品种，尤其在玉米、大豆、棉花等农作物上有着较好应用。转基因技术的应用，一定程度推动了农业领域发展，但是还存在一定安全问题，要想充分利用作物转基因技术，还要注重基因编辑农作物的管理和检测，以便能发挥基因编辑技术在研发新品种上的作用，尽可能提高农作物营养价值。

1  基因编辑技术在农作物领域的应用

1.1  ZFN技术

ZFN主要负责识别和结合特定的核苷酸序列，将ZFN技术应用到作物育种中，可对植物基因进行重新编辑。锌指核酸酶由锌脂蛋白和核酸酶结构域组成，其中核酸酶结构域对切割点不具有识别特异性，只有在二聚体情况下可使其具备酶活性。因此，需要对任一靶位点设置一对ZFN，以便形成核酸酶二聚体，从而进行DNA链的切割。有研究学者采用该技术，替换掉烟草中乙酰乳酸酶基因的三个核苷酸点，进而得到抗除草剂的作物[1]。另外，将ZFN技术应用在玉米作物中，能合成磷酸酶基因，使得玉米具有抗除草剂性能，同时还能减少玉米中的肌醇六磷酸含量，提高了作物营养品质。尽管当前ZFN技术在多种植物中取得较好运用，但是由于锌指单元对切割点识别性不高，因此在不同基因改造上的识别差异较大，限制了该技术的广泛使用。

1.2  TALEN技术

该技术是一种基于核苷酸的编辑技术，是由核酸内切酶和DNA结构域共同组成的，其中DNA结构域主要是由多个氨基酸序列构成的，重复序列能识别相应的碱基。TALEN技术运用原理为：结合靶位点两端的序列设置一对TALEN，与识别位点结合后，两个核酸内切酶结合起到形成二聚体，在切割DNA链后可完成基因编辑。有学者将该技术运用到水稻中，破坏了细菌性病原菌效应蛋白在作物基因组上的位点，进而提高了水稻抗百叶枯病。另外，在这一技术作用下，还能破坏水稻甜菜碱乙醛脱氢酶结合位点，能起到提高水稻品质的作用。而将该转基因技术运用到小麦育种中，能得到抗性较强的小麦，相对于传统育种技术来讲有明显进步。

1.3  CRISPR/Cas9技术

这一技术能对作物基因组进行定点编辑，能得到预期的作物品种。CRISPR属于一种免疫系统，能抵抗外部DNA的侵入。由于Cas基因序列不同，因此通常将免疫系统分成三类。研究学者通过对 类系统进行改造，能促使CRISPR/Cas系统转变成有着特异性的核酸酶，能后和靶位点结合并切割DNA链。实际运用免疫系统时，首先形成需要的RNA链，之后和病毒的DNA节点进行互补。相较于其他基因编辑技术来讲，CRIAPR技术操作较简单，在定向基因编辑方面有着较好运用。实践表明，这一技术在高粱、玉米、小麦、甜橙、烟草等作物中有较好应用性，有着巨大发展潜力。如有学者对玉米中的酶基因建立免疫系统载体，测序结果表明基因链上出现不同程度的缺失，从而提升了玉米品质。在农作物生产上，借助免疫系统能实现优良基因的整合，是提高作物产量和品质的有效途径。

2  针对基因编辑农作物的安全评价监管

2.1  安全性评价方法

在转基因作物安全性评价方面，主要是针对基因编辑方式进行检测基因。转基因作物主要发生碱基缺失和替换等变化，对突变结果进行检测，可掌握作物安全与否。当前主要采用以下检测技术：一是PCR-RE技术，这一分析方法运用原理为，考虑某种包括特定内切酶的切割点，确定好靶位点，如果位点出现突变时，将朝着目标区域发生PCR扩张，并且该位点能被特异性内切酶切割。但是缺失这类酶基因的位点，不能被识别[2]。从这角度出发，能有效区分基因编辑位点与未编辑位点。二是T7EI分析技术，T7EI内切酶能断开错配碱基上磷酸二酯键，造成DNA链的断裂。转基因产物在高温环境下出现变形，之后逐渐降温时，突变的靶位点将进行随机配对，并且最终的结构将被酶基因切割。如不出现突变时，位点进行正常配对，不会被核酸酶切割，从上述区别着手，可监测出农作物基因序列。

2.2  潜在风险评价方法

在进行转基因作物的潜在风险评价时，主要针对基因编辑脱靶情况进行检测，在PCR扩增的情况下，实施测序验证。目前使用的CPISPR-P算法，能预估可能出现的脱靶位点，之后根据可能性高低，建立起脱靶位点预测网站。在这一基础上，有学者开发了2.0数据库，其中包括多种转基因技术，同时能为脱靶预测提供依据。随着测序技术不断发展，已经解析了较多植物的基因组序列。针对基因编辑后的农作物进行测序，之后对比目标区域与受体的基因系列，能检测出潜在脱靶位点及基因编辑状态。上述测序方法在判断脱靶位点上有较好应用，但是该技术使用时还受到参考基因的限制，需要在已有技术基础上对其进行改进处理。

2.3  基因编辑农作物的检测

2.3.1  传统转基因作物检测技术    以往的转基因检测是在DNA基础上进行的，通过应用筛选PCR、设计特异性PCR、基因特异性PCR等方法的运用，能对转基因农作物的插入位点及外源基因进行设计，采用PCR可达到检测的目的。我国检疫部门便借助上述技术确定了转基因作物检测标准，能有效避免不达标的转基因作物进入市场中。如2013-2014年，我国退运了大量含转基因组分的进口玉米。

2.3.2  基因編辑作物检测技术    不同种类的基因编辑作物，对应的检测方法不同。传统的转基因检测技术无法应用在全部的作物检测中，利用单粒种子作为样本，可对第1代、第2代基因编辑作物实施有效检测，而在第3代、第4代的转基因作物检测中应用相对复杂。插入的元件基因可能是植物自身的，只检测插入元件不能保证检测结果准确性。这时可通过检验插入位点的序列情况，判断作物是否含有转基因成分[3]。对于基因编辑作物来讲，主要是通过基因插入、删除和碱基突变等，达到作物育种的目的，增加检测难度，还需要针对不同类型的基因编辑作物采取针对性检测。如对于定点替换荷核苷酸位点的转基因作物，将这类检测看作是位点突变检测，采用荧光PCR等方法能完成检测任务。随着高通量序列检测技术的应用，为转基因作物的安全检测提供了技术保障，能很好区分基因编辑作物和自然作物，有利于获取更多检测信息。

3  结论

综上所述，随着基因编辑技术的开发，大量基因编辑作物逐渐出现，在促进农业领域发展的同时，还面临一定问题。当前一些农作物的转化体系还不完善，无法充分发挥基因编辑技术运用价值。因此，有必要加大对农业领域基因编辑技术应用及安全监管的研究，探索基因编辑技术应用路径，确保基因编辑技术应用可靠性和有效性，通过加大基因编辑作物监管力度，使得基因编辑技术在农作物育种方面发挥积极作用。

参考文献：

[1] 张青霞.CRISPR-Cas9系统在农作物中的研究进展[J].山西农经，2019（01）：111-112.

[2] 吴龙芬.依托“七大农作物育种”专项实施，推进基因编辑技术发展和应用[J].中国农业科技导报，2018，20（08）：155.

[3] 郝丽芬，房永雨冰.CRISPR/Cas9基因编辑技术及在农作物品种改良研究中的应用[J].北方农业学报，2017，45（03）：29-35.