综述：CRISPR介导的多重基因组编辑进展：推动植物育种向作物改良和多基因性状工程转型

《Biotechnology Journal》：Advancements in CRISPR-Mediated Multiplex Genome Editing: Transforming Plant Breeding for Crop Improvement and Polygenic Trait Engineering

本综述系统阐述了利用CRISPR/Cas系统进行多重基因组编辑的最新技术策略，重点探讨了紧凑型核酸酶（Cas9、Cas12、Cas13及其新兴超紧凑变体）、多顺反子gRNA平台（tRNA-gRNA阵列、自切割核酶、Csy4加工系统）及递送途径在植物多基因性状叠加育种中的应用，为应对气候变化、实现精准设计育种提供了关键技术路径。

　　

ABSTRACT

随着气候变化加速以及对叠加多基因性状的迫切需求，多重CRISPR/Cas技术为培育具有气候韧性的作物提供了一条可扩展的路径。然而，较低的编辑效率和再生瓶颈仍然是关键限制因素。本综述聚焦于植物多基因性状工程中的多重编辑策略，系统梳理了紧凑型核酸酶（如Cas9、Cas12、Cas13及其新兴超紧凑变体）、多顺反子gRNA平台（包括tRNA–gRNA阵列、自切割核酶、Csy4加工系统）以及递送途径（如农杆菌转化、基因枪法、原生质体转染、病毒载体）的最新进展。

技术核心：编辑工具与递送系统

编辑工具的创新主要集中在核酸酶的紧凑化和多功能化。除了经典的Cas9和Cas12，新兴的Cas13及其超紧凑变体为同时靶向多个基因位点提供了更多选择。在多gRNA表达策略上，tRNA–gRNA阵列、基于核酶的自切割系统以及Csy4介导的加工系统实现了多个向导RNA（gRNA）的高效共表达，从而显著提升了多重编辑的效率。在递送方面，农杆菌（Agrobacterium）介导的转化、基因枪法（biolistics）、原生质体转染以及病毒载体各具优势，但如何平衡编辑效率与再生能力仍是实际应用中的挑战。

应用成果：从基础研究到田间表现

多重编辑技术已在作物改良中展现出巨大潜力。一个突出的例子是，通过靶向编辑水稻PYL脱落酸（ABA）受体基因，在田间试验中成功使稻谷产量提升最高达31%。此外，该技术被广泛应用于提高作物产量、增强病害抗性、耐受非生物胁迫（如干旱、盐碱）、进行营养强化（生物强化）以及实现从头驯化（de novo domestication）等领域，为设计未来作物提供了强大工具。

技术风险与应对策略

任何新技术都伴随风险，多重基因组编辑也不例外。脱靶效应（off-targets）、嵌合体（mosaicism）现象、染色体易位（chromosomal rearrangements）以及转化效率（transformability）低是主要关切点。针对这些挑战，领域内正在涌现多种解决方案，包括使用更特异或更紧凑的工程化核酸酶、优化RNA处理阵列、引入形态发生调节剂（morphogenic regulators）以促进再生，以及将人工智能（AI）驱动的sgRNA设计与多组学（multi-omics）数据整合，从而实现对编辑过程的精准预测和优化。

结论与展望

通过优先发展多重编辑策略用于多基因性状叠加，本综述论证了这些工具对于加速适应气候变化的精准育种至关重要。将不断进化的编辑工具、智能设计算法与多组学洞察力相结合，有望突破现有瓶颈，推动植物育种进入一个高效、精准的新时代。

Conflicts of Interest

作者声明无利益冲突。