基因组编辑技术在易感基因和抗性基因方面的应用，以培育抗病作物：近期进展、挑战与未来前景

《Plant Science》：Genome editing of susceptibility and resistance genes for engineering disease-resistant crops: recent advances, challenges and future prospects

CRISPR/Cas系统能够精确地改造抗病作物。编辑易感基因（如SWEET、MLO、eIF4E）可以提高抗性。碱基编辑、引物编辑、CRISPRa/i和Cas13扩展了抗性策略。表观基因组和RNA表观转录组编辑提供了可逆的免疫调节。多重编辑和基因叠加支持持久的广谱抗性。然而，转化障碍、病原体进化以及抗性调控仍然是关键挑战。

引言
许多粮食作物被种植以生产养活世界人口的食物。在粮食作物中，谷物、蔬菜和水果贡献了人类总热量摄入的约三分之二（Sarwar等人，2013年；Laskowski等人，2019年）。作物生产面临着由各种病原体引起的疾病控制问题（Pandey等人，2017年）。在不同的病原体中，细菌、真菌和病毒是导致严重产量损失甚至植物死亡的主要生物因素（Teshome等人，2020年；Biswas等人，2024年）。据估计，到2050年需要增加50%以上的粮食产量才能养活预计的100亿人口（Dijk等人，2021年）。为了提高产量，必须减少因作物疾病造成的产量损失（Richard等人，2022年）。全球范围内，由于作物疾病导致的平均产量损失很高，其中小麦（Triticum aestivum）为10.1%至28.1%，水稻（Oryza sativa）为24.6%至40.9%，玉米（Zea mays）为19.5%至41.4%，马铃薯（Solanum tuberosum）为8.1%至21%，大豆（Glycine max）为11%至32.4%（Savary等人，2019年；Ristaino等人，2021年）。在世界某些地区，作物疾病给小农户带来了显著的收割前损失（Jones，2021年）。在世界许多地方，作物疾病频繁发生，威胁着弱势群体的粮食安全（Singh等人，2023年；Mwangi等人，2023年）。气候变化、全球粮食贸易网络、病原体的传播以及新病原体谱系的进化都加剧了作物疾病的蔓延（Ristaino等人，2021年；Baker等人，2022年）。本世纪农业科学面临的最大挑战之一是通过逐步培育更好的抗病品种来提高作物产量的稳定性（Bailey Serres等人，2019年）。多年来，杀菌剂、杀虫剂和除草剂控制了植物疾病，但也给人类健康带来了许多问题，并污染了各种生态系统（Pathak等人，2022年；Ahmad等人，2024年）。与使用杀菌剂、杀虫剂相比，培育抗病品种是一种更有效且环保的控制作物疾病的方法（Ayaz等人，2023年；Gongora和Silva，2024年）。因此，研究人员希望通过现代育种方法和其他工具开发抗病品种（Purohit等人，2026年）。减少杀菌剂和除草剂的使用是避免当前做法带来的负面环境和健康影响的关键目标（Ghazi等人，2023年）。管理作物疾病的最有效策略是培育抗病植物，从而获得环境、经济和社会效益。然而，需要培育能够在不损失产量和营养的情况下抵抗病原体的作物。可持续、营养丰富的食物供应对于摆脱贫困和改善健康状况至关重要。

自驯化以来，植物育种一直是开发抗病新品种的最成功方法（Borrelli等人，2018年）。然而，传统的植物育种计划存在不确定性和不精确性，因为它们转移的是大范围的基因组区域，而不是插入单个基因（Abdallah等人，2015年；Hua等人，2019年）。针对特定的抗病基因可以控制植物疾病，而不会干扰其他基因的功能（Dong和Ronald，2019年）。遗传抗性/耐受性是管理作物疾病最有效和最有效的方法；因此，研究抗病相关基因的功能在现代农业中至关重要（Van Esse等人，2020年）。基因组编辑为作物改良提供了许多潜在的好处，其最显著的优势之一就是精确性（Greenwood等人，2023年）。借助这种精确性，我们可以将所需的性状引入作物，而不会引入不需要的性状或破坏现有基因。基因组编辑工具发展迅速，已成为实现植物抗病性的最重要遗传工具之一（Yin和Qiu，2019年）。在作物改良中最为人熟知的基因组编辑工具是位点特异性修饰方法，如巨核酸酶、锌指核酸酶（ZFNs）、转录激活子样效应核酸酶（TALENs）和成簇规律间隔短回文重复序列（CRISPR）/CRISPR相关蛋白9（Cas9）（Gaj等人，2016年；Ingle等人，2024年；Boubakri，2023年）。然而，CRISPR/Cas9已经超越了其他基因组编辑工具，因为它易于设计和使用，成功率较高，并且具有多功能性和低成本。科学家们正在使用CRISPR/Cas工具揭示各种植物中抗病相关基因的正确功能，从而提高作物的抗病性（Zhang等人，2021a；Talakayala等人，2022年）。因此，与传统植物育种相比，突变育种/诱导方法已经培育出大量表现出增强抗性的突变植物。因此，突变育种方法目前在提高植物抗病性方面非常成功（Borrelli等人，2018年）。总体而言，CRISPR/Cas是未来改进作物抗病农艺性状的强大工具（Jadhav等人，2024年）。基因组编辑技术的快速发展导致了大量关于基因组编辑在改进植物性状方面作用的综述论文。然而，发表更多来自不同研究者的新见解的综述将有助于未来的研究。在这篇综述中，我们首先讨论了植物疾病如何影响全球农业生产、经济价值和粮食安全，然后具体总结了各种基因组编辑工具的类型和机制。我们还讨论了基因组编辑在抗细菌、病毒和真菌疾病作物改良中的现状。本文的目的是阐明基因组编辑在控制植物疾病方面的最新进展，并强调其在解决粮食安全问题方面的潜力。

部分摘要
植物疾病影响全球农业生产、经济价值和粮食安全
植物疾病是一个全球性问题，对粮食作物生产有重大影响（Gai和Wang，2024年）。植物疾病每年给全球经济造成约2200亿美元的损失（Singh等人，2023年）。病原体继续威胁全球粮食安全，影响从水果到谷物的一切。

基因组编辑工具的类型和机制
基因组编辑是一种对生物体（包括植物）的DNA/RNA进行特定修改（添加、删除或替换碱基）的方法。基因组编辑技术中使用的三种工具是ZFNs、TALENs和CRISPR/Cas9。然而，研究人员更频繁地使用CRISPR/Cas9，因为它更容易使用、效率更高，并且可以同时针对多个位点。CRISPR系统分为两类（1类和2类），每类都有三种。

表观基因组和RNA表观转录组编辑用于抗病工程
使用CRISPR/Cas9进行经典基因敲除非常有效，但可能会产生农艺上的权衡。例如，MLO基因的功能丧失突变可以赋予小麦持久的白粉病抗性；然而，一些mlo突变体与生长和产量下降有关，尽管较新的编辑等位基因可以避免这些权衡（Greenwood & Rathjen，2022年）。相比之下，番茄SlMlo1突变体被报道具有白粉病抗性，而没有明显的形态学变化。

大规模基因组工程
大规模基因组工程技术越来越多地被用于开发持久的广谱作物抗性。与传统单基因编辑不同，CRISPR/Cas介导的染色体工程能够有针对性地删除、倒位、替换或整合与疾病易感性或抗性位点相关的大片段。CRISPR/Cas9诱导的染色体片段缺失已被成功用于去除与疾病易感性或抗性位点相关的片段。

针对细菌病害提高植物抗性的基因
细菌性叶枯病是一种破坏性细菌病害，会对任何植物的生产和产量造成严重损害（Ke等人，2017年；Faizal和Lau，2022年）。全球报告显示，仅细菌性叶枯病每年就使水稻产量减少20%（Yasmin等人，2016年；Asibi等人，2019年）。迫切需要开发具有持久和广谱抗细菌病害（特别是细菌性叶枯病）的植物品种。植物病原细菌相对...

针对真菌和卵菌病原体提高植物抗性的基因
真菌引起多种植物疾病，如锈病、稻瘟病、黑粉病和腐烂病，这些疾病可能对作物造成严重损害（Doehlemann等人，2017年）。最好的解决方案是使用抗真菌品种来获得最大抗性，避免使用杀菌剂。抗性基因在植物免疫中起重要作用，而易感基因则可能通过多种生理和调控机制促进病原体感染（Garcia等人，2021年）。它们的靶向修饰或部分丧失...

针对病毒提高植物抗性的基因
病毒病害的爆发常常限制了提高作物产量的努力（Jones，2020年）。稻瘟病毒病是热带亚洲国家水稻生产的严重限制因素（Azzam和Chancellor，2002年）。稻瘟球形病毒和稻瘟杆菌病毒是这种疾病的致病因子（Uda等人，2014年）。研究人员已经成功地利用CRISPR/Cas9系统在植物中 engineering出了抗病毒性，该系统可以靶向病毒基因组或宿主基因组（表4）。

多效效应和易感基因编辑的适应性成本
通过编辑易感基因来提高植物抗性是一种有吸引力的方法，但完全破坏易感基因并不总是能够产生无不良影响的抗性表型。许多易感基因并不直接参与植物-病原体相互作用，还在重要的生理、发育和代谢过程中发挥作用（Garcia等人，2021年）。因此，应评估易感基因修饰的有效性。

抗性基因的基因组编辑：经典抗性基因的功能验证和精准工程
基因组编辑技术的最新进展显著提高了抗病基因在作物育种中的功能验证和应用。虽然像SWEET和MLO这样的易感基因已被广泛用于在水稻、小麦、番茄和大麦中产生抗病表型，但基因组编辑在验证和工程经典抗性基因方面的应用仍然相对较少。抗性基因，特别是核苷酸结合抗性基因...

基因组编辑在定量和多基因位点抗性中的应用
上述抗病策略展示了基因组编辑在修改细菌、真菌、卵菌和病毒疾病中的单独易感因素和相关抗性基因方面的成功应用。许多植物病原体抗性性状不是由单个基因控制的，而是由多个位点、信号成分和病原体响应性调控网络的叠加效应决定的。这种定量或多基因位点抗性非常重要，但相对...

挑战和未来前景
当前抗病作物育种面临的挑战包括病原体的快速进化、优良品种的遗传多样性狭窄、传统导入育种中的连锁拖累以及植物免疫的复杂性。许多抗性基因仅提供针对特定菌株的保护，并且常常很快被新出现的病原体株系克服。此外，传统的育种方法耗时较长，并受到性兼容性障碍的限制。

田间验证、农艺表现和抗病持久性
需要进行田间评估，以确定编辑后的等位基因是否能够提供有效且持久的抗性，同时不影响产量或其他农艺性状。尽管在受控实验室和温室条件下已经通过基因组编辑产生了许多抗病植物，但田间疾病的发生情况受到病原体种群、环境波动和基因型×环境相互作用的影响。因此，评估应包括疾病发生率和严重程度。

基因编辑作物的伦理、监管和政策挑战
基因编辑作物在世界各地引发了重大的伦理、监管和政策挑战，特别是在生物安全、公众接受度、国际贸易、监管协调和基因组编辑技术的公平获取方面（Caradus，2023年）。CRISPR/Cas介导的基因组编辑可以在不引入外源DNA的情况下进行靶向基因修饰，但不同国家的监管措施差异很大。

结论和未来方向
多功能且用户友好的CRISPR/Cas工具以及植物和病原体的基因组序列帮助许多作物找到了对抗生物性疾病的方法。完全敲除易感基因是一种相对简单且更持久的方法，但也需要认识到一些局限性。研究人员通过基因编辑成功培育出了抗病水稻、小麦、番茄和马铃薯。然而，使用的缩写列表如下：

- Adenine：腺嘌呤碱基编辑器
- AGO：Argonaute
- AIA：人工智能
- CBEC：胞嘧啶碱基编辑器
- CBLC：钙调神经磷酸酶B样蛋白
- CIPK：CBLC相互作用蛋白激酶
- CRISPR：规律间隔短回文重复序列
- CRISPRa：CRISPR激活
- CRISPRi：CRISPR干扰
- crRNA：CRISPR相关RNA
- Csf1：CRISPR相关剪接因子1
- dCas9：失活的Cas9
- DIPM4：来自Malus 4D的DspA/E相互作用蛋白
- DMR6：抗霜霉病6
- DNA：脱氧核糖核酸
- DNMT3A：DNA甲基转移酶3α
- DSB：双链断裂
- EBE：伦理批准和参与同意
- 作者贡献：T.M.构思并起草了手稿；S.A.C.监督研究，参与手稿编辑和关键修订，并最终确定手稿内容；N.R.T.负责文献收集、数据解释和手稿准备工作；A.A.参与手稿审核、编辑和科学讨论。所有作者均阅读并批准了最终版本的手稿。
- 出版同意：所有作者均已阅读并批准了手稿的出版。
- 未引用的参考文献（Abudayyeh等人，2016年；Anzalone等人，2019年；Biswas和Das，2024年；Burstein等人，2017年；Choudhury等人，2017年；Choudhury等人，2019年；Ding等人，2022年；欧洲议会，欧盟理事会，2026年；Faizal和Lau，H.Y.，2022年；Gallego-Bartolomé，2020年；Gilbert等人，2013年；Harrington等人，2018年；Hu等人，2019年；Komor等人，2016年；Larson等人，2013年；Lau等人，2021年；Tripathi等人，2024年；Abudayyeh等人，2015年；Stewart和Willie，2021年；Thakur等人，2024年；Walls等）

- 资金支持：不适用。
- 投资者声明：Theivanayagam Maharajan的贡献包括撰写原始草稿、调查、数据分析及概念构思；Stanislaus Antony Ceasar的贡献包括审稿与编辑、软件开发、项目管理、方法论制定及资金筹措；Niranjan Ravindra Thakur的贡献包括撰写原始草稿、数据验证、资源整合及数据分析；Aftab Ahmad的贡献包括审稿与编辑、软件开发及数据分析。

- 竞争利益：作者声明没有可能影响本文研究的竞争利益。

- 致谢：不适用。

- 竞争利益声明：作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。