动物基因工程技术在动物遗传育种上的应用现状与发展前景

宋语涵

北京林业大学生物科学与技术学院，北京 100083

动物遗传育种是养殖业中的重要领域，通过选择和繁殖具有优良基因型和表型的动物实现对品种的改良和生产性能的提升。动物基因工程技术可以通过改变动物基因组中的特定基因来增强动物的抗病能力、适应能力和生存能力，从而在动物育种中发挥重要作用。目前，基因组编辑技术和基因组学研究技术等的突破为动物基因工程技术的应用提供了更多的可能性。了解动物基因工程技术在动物遗传育种中的应用现状和发展前景对于推动动物育种的进步和农业的可持续发展具有重要意义。

1 动物基因工程技术

1.1 动物基因工程技术的定义和原理

动物基因工程技术是指运用生物技术手段对动物的基因进行修改或操控以达到特定目的的技术。它是遗传学研究的重要分支，也是现代生物学和生命科学的关键领域。动物基因工程技术的原理是基于对动物基因组的认识和理解。动物的基因组由DNA 分子组成，携带着动物遗传信息的编码。基因工程技术利用DNA 重组、基因编辑和基因传递等方法对动物的基因组进行改变，从而改变动物的特征和性状。

1.2 常见的动物基因工程技术

常见的动物基因工程技术包括基因敲除、基因敲入、基因编辑和转基因技术等。基因敲除是一种将目标基因从动物基因组中删除的技术。设计合适的“敲除子”并将其导入动物胚胎细胞，在适当的条件下，敲除子会与目标基因结合并取代它，从而使目标基因无法正常表达。基因敲除技术可用于研究目标基因的功能和作用机制。基因敲入则与基因敲除相反，是在动物基因组中插入外源基因的技术。将外源基因与敲入子融合并利用基因传递技术将敲入子导入动物细胞中，使其与目标基因位点结合，从而实现特定基因的敲入。基因敲入技术可用于研究特定基因在动物身上的功能和表达模式。基因编辑技术是通过针对性地修改动物基因组中的特定位点来实现对基因表达水平或基因功能的调节的。其中，CRISPR-Cas9 技术是目前最常用的基因编辑技术。它利用特定的引导RNA（gRNA）将Cas9 核酸酶引导到目标基因的位点，然后通过Cas9 核酸酶进行精确剪切，使目标基因发生突变或修复。基因编辑技术可用于特定基因的修饰和功能研究。转基因技术是将外源基因导入目标动物的基因组并使其在目标动物身上表达的技术。一般情况下，可以利用载体（例如质粒）将目标基因导入受体动物的早期胚胎或胚胎干细胞中，进行胚胎移植或胚胎干细胞的转移，最终产生具有外源基因的转基因动物。转基因技术可用于生产具有特定性状或功能的动物模型或农艺品种。

1.3 动物基因工程的研究进展

目前，很多研究者对动物基因工程展开研究。在基因编辑技术上，李双喜等（2023）以PRRSV 受体为切入点，综述猪抗PRRS 育种的研究现状。文章指出，除了发挥必要的生理功能外，CD163 分子还可作为PRRSV 感染的受体[1]。王熠晨等（2023）指出，碱基编辑技术和PE 技术具有这种潜力，不过碱基编辑技术还需要克服碱基切除修复引发的碱基随机插入，PE 技术则需要解决错配修复引发的错误编辑问题[2]。在克隆技术方面，李兆龙（2021）指出，目前我国对于早期胚胎的发生和发育机制的研究还相对薄弱，对一些基因重组编程的机制还不够清楚，但是其作为种质资源扩繁和异种移植的前景广阔，这将继续激励更多的投入和研究[3]。在基因驱动方面，王盼娣等（2021）指出，在雌性小鼠卵子发育期间激活Cas9，突变基因可达到72%的遗传率。这种突变并不会在早期的胚胎发育时期或雄性精子发育时期导致同源重组修复，而是主要通过非同源末端连接修复方式实现。虽然对于昆虫而言，这种驱动的效率并不高，但是这也为利用基因驱动技术防治啮齿类生物入侵提供了宝贵的研究经验[4]。此外，中国农业科学院北京畜牧兽医研究所猪遗传育种科技创新团队在猪基因组选配研究方面取得了新的进展，他们提出在追求相同预期遗传增益的情况下，基因组选配方法相对于其他方法来说在控制近交带来的增加效果方面明显优越。

2 动物基因工程技术在动物遗传育种上的应用现状

2.1 基因功能研究

通过对动物基因进行精确编辑和调控，科学家们可以深入地研究特定基因在生物发育、生理功能和行为等方面的功能和作用。基因功能研究可以通过基因敲除和基因修饰等手段实现。其中，基因敲除是最常见的方法之一。它能够使用基因编辑工具精确地切割和删除目标基因的特定区域，使该基因在动物个体中的表达缺失。这样的实验可以揭示该基因在特定生理过程中的功能和调控机制。通过敲除特定基因，科学家们发现了一些关键基因对胚胎发育、免疫系统和代谢过程的重要作用。此外，通过修改基因序列、调控基因的表达级别或功能改变，基因修饰可以帮助科学家进一步了解基因的功能和调控机制。

2.2 基因治疗

基因治疗能够通过修复或替换患有遗传性疾病的动物个体的基因缺陷来达到治疗和预防遗传疾病的目的。首先，动物基因工程技术有助于治疗遗传性疾病，尤其那些由单基因突变引发的疾病。通过修复或替代患病个体中的缺陷基因，可以恢复基因功能并治疗疾病。例如，基因编辑技术可以用于修复猫头鹰视网膜变性等遗传性视网膜疾病，改善视力。其次，动物基因工程技术在免疫治疗方面也显示出一定的潜力。通过基因修饰技术，科学家可以增强免疫细胞的活性，并提高其对疾病的识别和攻击能力。这有助于增强动物免疫系统对感染、癌症等疾病的免疫能力。总之，基因治疗作为动物基因工程技术的一种重要应用，为动物遗传育种提供了新的手段和策略。

2.3 育种改良

育种改良是基于基因修饰技术而发展的，科学家们可以通过精确地调控动物基因组中的特定基因来改善养殖动物的性状，提高其经济价值和适应性。首先，通过基因修饰技术对养殖动物的基因进行调控可以增强其生长速度、肉质品质、蛋白质合成能力等，从而提高养殖动物的生产性能。例如，通过调节生长因子和代谢相关的基因的表达水平，研究人员可以改善猪、牛等家畜的生长速度和肉质品质。其次，养殖动物常常受到疾病和感染的威胁，影响其生长和生产性能。基因修饰技术可以增强养殖动物的免疫系统和抗病能力，提高其抵抗病原体的能力。例如，通过基因编辑技术，研究人员可以增强鱼类抗病能力相关基因的表达，以提高养殖鱼类对病毒和细菌的抵抗力。最后，基因修饰技术还可以提升养殖动物的环境适应性。养殖动物通常需要适应多种环境条件，如高温、低温、高海拔等。通过调节特定基因的表达，科学家们可以增强养殖动物对不良环境的适应能力。

3 动物基因工程技术在动物遗传育种中的发展前景

3.1 基因组编辑技术的突破

基因组编辑技术是动物基因工程技术中的重要手段。其中，CRISPR-Cas9 是目前应用最为广泛的一种基因编辑技术。CRISPR-Cas9 技术的不断改进将为动物遗传育种领域带来很大的突破。首先，在CRISPR-Cas9 技术的改进方面，科学家们正在努力提高其编辑效率和准确性。传统的CRISPR-Cas9 系统在目标基因编辑中存在非特异性的剪切和不完全的修复等问题，容易导致编辑效果不稳定。因此，研究人员正在通过改变Cas9 蛋白的构型、引入其他辅助因子、优化导向RNA 引物和修复修饰路径等方式提升CRISPR-Cas9 系统的编辑效率和准确性。其次，新兴的基因组编辑技术，如基因组底物编辑、基因组置换等也有望为动物遗传育种带来新的可能。基因组底物编辑技术通过合成底物修复DNA 来实现精确的基因编辑，可以有效克服CRISPR-Cas9 系统在特异性编辑方面的限制。基因组置换可以通过提升特定基因在种群中的传播和遗传稳定性来实现遗传育种进程的加速发展。最后，基因组编辑技术的应用范围也将不断扩大。除单基因编辑外，多基因编辑、基因组重排和表观遗传修饰等技术也将在动物遗传育种中发挥重要作用。通过精确编辑多个目标基因，可以实现更复杂的功能改造，如提高产量、改善产品质量、增强抗病能力等。

3.2 基因组学研究的深入

动物基因工程技术在动物遗传育种领域的发展前景非常广阔，在基因组学研究方面，建立和整合动物基因图谱将成为一个重要的发展方向。随着高通量测序技术的进步，研究人员可以更快速、更全面地解析动物基因组中的基因和调控元素。研究人员正在进行大规模的基因组测序项目并为各种动物建立基因图谱，这有助于人们深入了解动物基因组的组成、结构和功能，从而为动物遗传育种提供更多的基础信息。

4 结语

动物基因工程技术作为现代生物技术的一项重要应用，可以通过精确编辑动物基因组来选择和改变有益基因的表达，进而改良动物种群的遗传特性。在未来，动物基因工程技术有望在遗传育种领域取得更大突破。随着新一代基因编辑技术的不断发展和成熟，动物遗传育种目标将被更精准地实现。本文对动物基因工程技术在动物遗传育种方面的应用现状与发展前景进行研究，以期为相关领域提供借鉴。