基因上的小手术，农业育种的大突破——CRISPR/Cas基因编辑技术在植物上的成功应用

CRISPR/Cas系统是细菌抵抗病毒侵染的免疫途径，经过科学家一系列的研究和改造，2013年作为基因编辑的第三代技术成功的应用在多个物种里面，例如人类、斑马鱼、老鼠、拟南芥、水稻等。CRISPR/Cas能对基因序列进行突变、置换、插入等精确编辑，与以前的基因编辑技术如zinc finger和TALEN相比，该技术花费低廉，操作简单，而且效率更高。该技术成功并且广泛的应用促使SCIENCE杂志把它评为2013年度世界十大科学研究突破之首。

目前为止，传统的随机突变技术和已有的定点编辑技术已远远不能满足科学研究和遗传育种的需要，一项操作简单、高效的基因编辑技术的开发已迫在眉睫。对此，上海植物逆境生物学研究中心首席科学家，美国科学院院士朱健康研究员带领团队，在模式植物拟南芥和农作物水稻上进行了潜心的研究，相关的研究成果已发表在PNAS、Cell Research、Molecular Plant三篇杂志上。在朱健康研究员的指导下，冯争艳，毛妍斐等研究人员首先发现CRISPR/Cas能够对拟南芥、水稻转基因第一代植物的基因组进行高效率的定点修饰，首次证实CRISPR/Cas系统能够用于植物基因组的高效编辑。之后他们接着对CRISPR/Cas能否在生殖细胞里面起作用，从而使基因突变遗传到下一代这个问题进行了大量的研究工作。他们发现在拟南芥转基因的第二代突变率达到58.3%，而第三代上升到79.4%，同时纯和的突变植株在第二代达到22.2%，第三代能达到47.3%。这就证明CRISPR/Cas可以成功得在植物生殖细胞里面进行基因改造，并且这种变化可以传递到给下一代。这就证明CRISPR/Cas是一项一劳永逸的改造基因的技术，为该项技术在农作物育种上的应用，并且规避转基因带来的恐惧提供了新的解决方法。

CRISPR/Cas由20个碱基的guide RNA 通过Waston-Crick配对来识别DNA靶位点序列，从而介导基因的编辑。但是20个碱基guide RNA也可能与高度同源的DNA序列结合，从而造成脱靶的问题，这种潜在问题会限制该技术的在实际农业生产上的应用。为此，该研究团队在转基因植株中细致得分析了靶位点的高度同源位点，并未发现他们跟靶位点一样发生突变。同时，经过高通量测序，在整个基因组水平上也未发现有脱靶问题。据此，他们证明在植物系统中CRISPR/Cas并不像鸟枪或者集束炸弹那样会有脱靶问题，而像是巡航导弹一般准确命中目标，同时避免了伤害无辜。

朱健康研究员的研究成果发现CRISPR/Cas可以成功在生殖细胞里面，极其特异得改变感兴趣的基因，从而使CRISPR/Cas造成的准确遗传改变遗传到下一代，进而得到农作物的理想性状。而CRISPR/Cas转基因位点可以通过遗传筛选去除，因此可以得到无筛选标记，无转基因的基因改造农作物。这项技术的发明和发展为现代农业特别是粮食生产提供了强大的技术支持，将会对人们接受转基因食品产生重大的深远的影响。相关研究成果于近期发表于国际学术期刊《PNAS》上，该项研究工作得到了中国科学院的资助。