综述：基于CRISPR的基因组编辑技术在豆类作物中的挑战与机遇

《Functional & Integrative Genomics》：Challenges and Opportunities with CRISPR-Based Genome Editing in Legume Crops

基因组编辑技术如CRISPR/Cas9变体、PAMless编辑等在豆科作物改良中的应用及挑战。研究涵盖多组学编辑、碱基/ prime编辑、表观遗传调控及AI辅助设计，并探讨转化技术难题及与育种整合路径，以提升抗逆性、产量和可持续农业发展。

　　

摘要

在过去的几十年里，豆类基因组学领域取得了巨大的进展。为豆类作物生成的基因组信息正通过分子育种和转基因方法得到应用。然而，知识产生与实际利用之间的差距却在不断扩大。在这方面，基因组编辑技术的最新发展为利用现有知识改良豆类作物提供了极好的机会。本文重点介绍了基于 clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated protein 9 (Cas9) 的基因组编辑技术的最新进展，包括 Cas 变体/同源物、无 protospacer adjacent motif (PAMless) 的基因组编辑、多重基因组编辑、碱基编辑、prime editing、转录调控、甲基组编辑以及无 DNA 的编辑方法。此外，还讨论了基于非同源末端连接 (NHEJ) 和同源定向修复 (HDR) 的编辑技术，这些技术可以实现靶向和精确的基因组修饰。病毒介导的基因组编辑、植物转化以及可移动的引导 RNA 也被越来越多地用于提高基因组编辑的效率和遗传稳定性。同时，人工智能在引导 RNA 设计、脱靶预测以及新型 Cas 变体开发中的作用也得到了探讨，这些技术有助于加速豆类作物的改良。文章列举了利用 CRISPR/Cas9 技术培育出具有生物和非生物抗性、理想植株结构、增强养分吸收能力以及提高产量和品质的豆类作物的成功案例。豆类作物基因组编辑的最大限制在于它们对转化和组织培养的抗拒性。本文探讨了如何在基因组编辑的背景下解决这一难题。最后，还讨论了将这些新开发的工具与转化育种相结合的可能性，这将为可持续农业和粮食安全提供支持。