基因编辑CRISPR技术在农产品 及食品生产中的应用进展

◎ 刘 杨

（大连市检验检测认证技术服务中心，辽宁 大连 116630）

基因编辑技术是能精确的对生物体基因组特定目标基因进行修饰的一种基因工程技术，而CRISPR技术是目前应用最广泛的基因编辑技术之一。随着CRISPR技术不断成熟，该技术也成功应用于农产品生产及食品加工中[1]，并能大幅改善相关产品的质量及产量，有助人类营养水准及生活品质的提升。

1 CRISPR技术在农作物改良上的应用

传统育种法是在植物自发性突变后，通过人为选择从自然界中挑选出具有特定表征的变异植株，再经过反复地杂交与回交，筛选出稳定表现特定性状的农作物，如产量高、抗病力强或易栽培等。但这种方法的效率低，耗时长，产生的特定性状变异植株也未必能够符合需求。

基于CRISPR编辑基因的高效率及准确性，使用此技术改良农作物成为绝佳的选择，可以使农作物种植具有更高的效益，并且可能会使农作物含有更多营养物质或有更长的保存期限。SHEN等利用CRISPR/Cas9技术对4种不同的水稻品种进行基因编辑，研究发现gs3和gs3gn1a突变体的粒长和千粒重均有所增加[2]。LI等利用CRISPR/Cas9技术，以中花11水稻品种为基础材料，对GS3、IPA1、Gn1a和DEP1这4个与产量性状相关联的基因进行定向编辑，发现带有gn1a、gs3和dep1这3种基因的突变体植株的穗数、粒重和每穗粒数均增加[3]。

通过CRISPR基因编辑技术还能显著提高农作物的抗逆境能力和抗病性。ARGOS基因为植物乙烯传导途径的负调节因子，为了降低编辑玉米对乙烯的敏感度，通过转移玉米的UBIQUITIN1启动子驱动的ARGOS8基因，在玉米中过量表达ARGOS8基因，结果在干旱逆境下，对比对乙烯不敏感的玉米的谷粒产量，比非基因编辑的玉米高[4]。OsERF922基因突变会使水稻抗稻热病的相关基因表达量提高，使水稻不容易感染稻热病。以RNA干扰技术默化水稻OsERF922基因，可以增加水稻对稻热病的抗病性[5]。

2 CRISPR技术在优化畜产品上的应用

CRISPR技术在家畜（禽）育种中扮演了重要的角色，通过基因编辑改变家畜（禽）的性状以符合人类的需求，使动物育种向大规模化及多基因改良的方向发展，提高人类的营养水平和生活品质。

BROPHY等利用同源重组技术，生产出β酪蛋白高表达牛[6]。WANG等使用CRISPR技术对猪和牛的肌肉生长抑制素（Myostatin，MSTN）进行基因编辑，改造后的MSTN基因在细胞培养及胚胎中可抑制肌细胞的增殖与分化，引起动物表现双肌性状，如明显的肌肉突出物、较宽的背部或臀部等，可促进动物产生更多的肉，对猪、牛等肉用家畜的培育有极大帮助[7]。

宋绍征等利用CRISPR技术标靶作用在山羊胚胎纤维母细胞，成功剔除了羊奶过敏物质β-乳球蛋白的基因，显著提高了羊奶的品质[8]，有潜力进一步作为医疗和农业研究之用。

利用基因编辑技术还能极大提高禽畜的抗病能力。KERR等在2001年的研究发现表达hDAF外源基因的猪可以提高自身免疫能力[9]，WALL等人研究表明溶葡萄球菌酶的过表达可以有效控制奶牛乳腺炎[10]。

3 CRISPR技术在水产品改造上的应用

水产养殖领域具有季节性，产量起伏很大，很难估计是否足以供应所需，而CRISPR技术的引入为水产养殖领域带来了深远影响。最近几年，科学家们已经利用高通量测序技术对鲤鱼、斑点叉尾鮰、半滑舌鳎、牙鲆、草鱼、翘嘴红鲌、团头鲂、尼罗罗非鱼、青鳉、大黄鱼、大西洋鲑、大西洋鳕和石斑鱼等多种水产养殖鱼类的基因组进行测序[11-12]，为基因编辑在水产养殖鱼类中的应用提供了丰富的遗传信息资源，未来还有更多的水产种类将要开展测序工作。

2017年，MOON等成功利用CRISPR技术标靶作用在鲶鱼胚胎的肌肉生长抑制素（MSTN）基因，结果发现长成的鲶鱼平均体重增加29.7%，此外，Dunham以鲶鱼作为研究对象，使用CRISPR技术成功地抑制了三个生殖激素基因，必须经过特定处理后，才可进行繁衍[13]。

2019年，周云迪等通过CRISPR技术建立了青鳉foxl2基因缺失的突变体，foxl2突变体有遗传雌性、生理雄性的表型特征，结果表明，foxl2对维持青鳉性腺功能具有重要作用[14]。董颖等首次通过在小体鲟胚胎中同时转入红色和绿色荧光蛋白载体，利用TALENS和CRISPR/Cas9进行编辑获得具有单一荧光的后代，实现了基因编辑技术在多倍体鲟鱼中的应用[15]。

4 CRISPR在改造食品生产的微生物上的应用

制造食品所涉及的各类微生物如发酵菌、益生菌等，都可以使用CRISPR技术加以改造，经过基因改造过的微生物生产效率较高，除可提升品质及产能外，还可节省成本。

许多食品的生产依赖微生物的发酵作用，但微生物（如细菌、真菌等）遭受病毒或噬菌体的感染后，生长或代谢亦会受到影响，这对食品业造成的冲击是很大的。例如，嗜热性链球菌受到噬菌体的感染后，将严重影响产品的生产。2007年，美国杜邦公司使用CRISPR技术改造嗜热性链球菌的基因组，使其成为噬菌体不敏感性突变株而免受侵袭，解决嗜热性链球菌受到噬菌体感染而降低或失去产能的问题[16]。

CRISPR技术还可以用来改善食品品质，例如不会褐变的双孢菇、更细嫩的肉品及更可口的高丽菜等。2016年，美国科学家利用CRISPR技术敲除了6个会导致双孢菇褐变的多酚氧化酶（Polyphenol oxidase，PPO）基因中的1个，而降低了约30%的PPO活性[17]。

5 结语

目前国内已有很多实验室使用CRISPR技术于基础研究，如建立实验动物模式、可用生产农作物的基因改造植物、畜产品的基因改造动物及生产食品的微生物基因改造等。虽然大多数研究成果仅限于实验室或田间试验阶段，但是以目前技术进步的速度来看，相信在不久的将来制造出来的产品将被用于实际应用。