【农科智库原创报告】全球植物基因组编辑技术发展态势及我国发展建议（甜瓜游乐场枪支编辑器）

作者：贾倩

单位：北京市农林科学院数据科学与农业经济研究所

基因组编辑技术是一种新兴的、能够较为精确地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。CRISPR/Cas基因编辑系统作为第三代基因组编辑工具，凭借高效、准确的基因组定点编辑能力，自2012年以来在全球蓬勃发展。近年来CRISPR/Cas系统不断被优化和扩展，并在基因研究、疾病防治和遗传改良等方面展现出巨大潜力。通过开展植物基因组编辑技术发展态势监测，为我国基因组编辑技术研发及产业发展提供参考。

一、全球植物基因组编辑技术发展态势

1、植物基因组编辑技术研发不断深入，提高编辑基因数量与效率、拓展编辑范围及可实现功能成为研究重点

在提高基因编辑数量与效率方面，利用γ-变形菌纲的 I-F3型CRISPR相关转座子系统开发出I-F3型CAST扩展基因组编辑工具（CAST系统），可实现10kb大片段基因插入，并在操作温度、转座子大小和PAM灵活性上有显著集成效率；开发出BREEDIT新型系统，可通过基因编辑方式靶定冗余基因家族中的多个成员可快速应用于多样化的突变体集合，高效识别出有发展潜力的基因修饰及其组合；开发出CRISPR Combo系统，可同时编辑或/和激活植物中多个靶标基因，在基因组和转录组水平上实现组合筛选，进一步提升编辑效率；通过将转录激活因子VP64融合表达在糖基化酶碱基编辑器（GBE）脱氨酶的氨基端（Vp64-APOBEC-nCas9-UNG），构建出SunTag-GBEs和SpRY-GBEs，提高了在哺乳动物细胞中的编辑效率、编辑纯度和编辑框，克服了PAM序列的限制，实现靶向位点范围的拓展；此外，基于拟南芥发育调控基因研发出可提升遗传转化效率的转化体系，进一步促进基因组编辑及其他植物生物技术在现代农业中的应用。

在拓展编辑范围及可实现功能方面，研发出全新的CRISPR偶联的蛋白酶新系统（Craspase），有望实现蛋白的定向降解；开发出能够编辑线粒体和叶绿体基因组的专有基因编辑技术，实现了细胞器基因组 DNA编辑；开发出针对植物的CRISPR-Kill技术，可针对基因组中经常遇到的、对细胞生存至关重要的序列的相应细胞类型，同时进行许多切割，可阻止植物特定的细胞类型，培育出无毒素植物，使食品生产和制药领域受益。

2、基因组编辑技术在植物品种创制与改良中的应用日益丰富，在病虫害防治、品质改良、功能性品种开发、植物生理调节等方面展现出巨大应用潜力

在病虫害防治方面，通过基因编辑工具将果蝇抗*虫剂基因替换为*虫剂敏感基因，开发出利用CRISPR/Cas9技术逆转*虫剂抗性的方法；利用Cas9基因剪刀靶向诱变关闭易感大麦品种中对植物病毒抗性发挥核心作用的PDIL5-1基因，使其获得大麦花叶病毒（BaMMV）抗性；以柑橘病程相关基因非表达子（CsNPR3）为靶点，开发出针对柑橘原生质体DNA的CRISPR/Cas9技术，获得实现CsNPR3表达下调和CsNPR1上调的基因组编辑甜橙植物。

在品质改良方面，通过CRISPR/Cas9技术对分隔开负责叶片积累植物油DGAT2基因与启动子的DNA片段两端进行切割并进行修复连接，使DGAT2基因表达增强20倍以上，使叶片总脂质含量增加两倍，可显著提高牲畜生产力并减少牧场反刍动物养殖系统中的肠道甲烷排放；利用多重基因编辑系统靶向敲除了红果番茄中控制三类色素合成或代谢的关键基因，获得了果实呈现绿色的纯合三重突变体（psy1 myb12 sgr1），实现了番茄果色的快速定制。

在功能性品种开发方面，通过CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除编码酶Sl7-DR2的基因，开发出可作为维生素D膳食来源的基因编辑番茄，并可应用于其他茄科植物，用于提供生物强化食品及植物维生素D补充剂；利用基因编辑技术开发出能够积累具有抗癌活性的木香烯内酯的菊苣植物；通过CRISPR/Cas9基因编辑系统开发出适用于慢性肾病和苯丙酮尿症患者的低谷蛋白水稻；利用CRISPR/Cas9开发出无直链淀粉的马铃薯，其块茎淀粉具有特有的冻融稳定性，无需进行化学改性即可用于生产冷冻食品，在造纸、粘合剂、纺织、生物塑料和工业用途乙醇等工业领域也有广泛应用前景。

在植物生理调节方面，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术提高了水稻收获前穗发芽抗性；利用CRISPR/Cas9技术对白菜生物钟基因PRR1a和PRR1b进行编辑，实现了白菜生理节奏周期的调节，有望利用生物钟基因提高白菜产量和质量。

3、基因组编辑技术及产品监管备受关注，全球监管法规政策呈现区域性不同步

美国走在基因编辑技术监管及产品商业化进程的前列。至今，美国已批准了三种可用于人类食用的转基因动物：转基因鲑鱼、转基因猪和基因编辑牛。美国食品药品监督管理局（FDA）2022年宣布批准一种基因编辑牛的牛肉在安全审查后可用作食品，该基因编辑牛更耐热、更易增重、肉类生产效率更高，经FDA审查该种牛的基因构成与现有其他牛相似，不需要经过长达数年的审批程序，这种牛肉有望在两年内上市。

英国通过制定与修订法案以及广泛开展科学试验积极推进基因编辑技术监管落地。2021年，英国议会就基因编辑技术监管进行咨询，经征求环境释放咨询委员会建议，得出结论：基因编辑的生物不会比通过传统育种方法生产的生物造成更大的风险。2022年3月14日，英国议会宣布，“2022年转基因生物（修订）（英格兰）条例草案”获得批准，该项法定文书将简化通过基因编辑等新遗传技术生产的植物的田间试验研究过程。英国《遗传技术（精准育种）法案》已提交议会审议，目前已进入上议院二读阶段，《法案》规定：将精准育种技术排除在转基因生物规则范围之外，建立相应的监管体系以保障精准育种动物福利，为利用精准育种的动植物开发的食品和饲料产品建立新的科学授权流程；此外，还引入用于研究和用于销售的两种告知体系。另一方面，遵循英国有关转基因作物种植的法规，开展了针对转基因和基因编辑大麦的田间试验，该试验将由英国环境食品和乡村事务部（Defra）及其环境排放咨询委员会（ACRE）实施监督，试验期间将接受英国动植物卫生署下属的基因改造检查局的检查，检查报告将向公众公布。

印度推进基因组编辑监管进程成效明显。2022年3月30日，印度环境、森林和气候变化部宣布，不含外源基因的基因组编辑植物不被视为转基因产品。印度放开SDN-1和SDN-2类别基因编辑植物豁免门槛，印度环境、森林和气候变化部发布备忘录规定，不含外源引入DNA的SDN1和SDN2基因组编辑产品可免于生物安全评估。同年5月17日，基因操作审查委员会（RCGM）发布修订后的《2022基因编辑植物安全性评估指南》，确定了相应类别的实验监管要求，并为基因编辑植物研发的数据要求提供监管框架和科学指导。10月4日，印度科技部生物技术司发布《2022 SDN-1和SDN-2类别基因编辑植物监管审查的标准操作程序》。该标准操作规程适用于所有参与SDN-1和SDN-2类别基因编辑植物研究、开发和处理的组织，明确了监管规划和研发要求，并符合SDN-1和SDN-2类别基因编辑植物的豁免门槛。

巴西基因编辑产品已步入商业化进程。巴西批准抗营养因子失活基因编辑大豆为非转基因大豆。巴西农业研究公司（Embrapa）利用CRISPR技术获得抗营养因子凝集素失活的基因编辑高产大豆品种。2022年9月1日，基于巴西第16号生产规范决议（Normative Resolution 16），巴西国家生物安全技术委员会CTNBio认定该基因编辑大豆不存在来自其他物种的DNA，属于非转基因产品。未来Embrapa将把该遗传特征引入适应不同产区的其他品种中，目前，对大豆 DNA 进行的修饰已经用于高产大豆品种，这些基因编辑新品种经表型确认后，将进行注册和品种商业化。

欧盟释放出放宽基因编辑在农业领域监管限制的信号。2022年9月17日的欧盟理事会会议上，欧盟20个成员国支持应该放宽对转基因生物的监管，建议允许在作物生产中使用基因组编辑技术。此外，欧盟委员会在2022年4月发布的报告指出，鉴于CRISPR基因编辑技术和相关技术能够在不需要外源基因的情况下引入理想性状，2001年的转基因立法已不再适用；目前正在重写转基因监管相关的法律框架，在此基础上，委员会发起了公众咨询，正在进行影响评估。新立法提案预计于2023年第二季度公布。

二、我国基因组编辑技术发展建议

1、以提高编辑效率、拓展可实现功能为重点加强新型基因组编辑工具和系统研发

我国已在作物基因组编辑领域取得了一系列原创性突破，但仍以技术优化和应用研究为主，新型DNA修复机制、大片段基因定点替换与插入、多重基因编辑系统、高效转化体系方面的研究仍有不足，在提高编辑效率和降低技术成本上有待完善。建议我国立足已有基因组编辑原创性研究成果，加强其核心技术工具开发与技术集成，注重工具和方法的系统化、规模化集成，克服脱靶、编辑效率低等问题；注重打造提供技术信息、模式生物gRNA靶点、特异性引物设计等资源的基因编辑技术资源共享平台，有效提高信息资源使用效率，推动基因组编辑技术的创新与产业化；此外，通过与表观遗传学、合成生物学等多学科交叉研发新的基因组编辑衍生技术。

2、加快推进基因组编辑检测技术与标准研究

随着基因组编辑技术在作物种质创制与改良方面的应用研究不断深入，越来越多基因组编辑作物面世，部分品种已成功实现商业化应用。随着全球基因组编辑技术商业化进程发展和全球化贸易形势，未来必将有基因组编辑作物进入国内市场，对基因组编辑产品的检测与鉴定迫在眉睫。建议我国加快推进基因组编辑植物检测方法与检测标准的研究与制定，建立一套完善、精准、灵敏、高通量的基因组编辑产品检测方法体系，促进基因组编辑产品进出口的同时，保障我国农产品的经济、社会和生态效益，为我国生物安全监管提供技术支撑。

3、进一步深化细化基因组编辑技术监管

目前我国农业生物技术领域监管依据的法律法规主要包括《生物安全法》和《农业转基因生物安全管理条例》，部门规章主要包括《农业转基因生物安全评价管理办法》和《转基因植物安全评价指南》。长期以来，我国基因编辑植物参照转基因产品进行监管，2022年我国农业农村部制定公布了《农业用基因编辑植物安全评价指南（试行）》，首次从规范层面将“基因编辑”概念从“转基因”中区别出来，根据是否引入外源基因及风险程度制定相应申报流程。这一举措为我国基因编辑生物育种技术研发与产业发展提供了有利政策环境，但是针对基因组编辑技术等精准育种技术的专用性法律法规尚处于缺位，相关的配套条例、操作规章较为缺乏。建议我国制定基因组编辑等精准育种技术方面的专门法律，加强顶层设计、通过系统规划形成完备监管体系；制定明确、科学、可操作的条例和规章，便于产业链中各参与主体实践操作。此外，还需要加强基因组编辑技术的科学知识普及，注重多元主体和公众在相关监管治理中的参与和互动，形成“自上而下”的监管与“自下而上”的监督有机结合，政府、机构、公众等“协同共治”的监管体系。