《Discover Plants》：Biotechnological strategies for sustainable regeneration and genetic enhancement in edible oilseed crops
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本文综述了整合植物组织培养、CRISPR/Cas基因组编辑、无土栽培和快速育种等生物技术，以应对气候变化引起的可食用油料作物多性状异常（如雄性不育、再生困难、油质劣化等），旨在恢复其再生能力、加速性状改良并生产稳定、非嵌合植株，代表了作物生物技术领域的前沿集成策略。
在全球农业中，油料作物占据着举足轻重的地位，它们是食用油脂、工业原料和牲畜饲料的重要来源。然而，不稳定的气候波动和环境扰动正日益导致可食用油料作物出现一系列复杂的多性状异常，这包括雄性不育、结实失败、再生困难、抗营养因子（如辛辣物质、异硫氰酸盐和芥子油苷）含量改变、油品质量（如芥酸升高）下降、抗氧化能力减弱以及病原体抗性降低。面对这些相互关联的挑战，单一的解决方案往往力不从心，亟需一种综合的生物技术策略，将传统的植物组织培养技术与精准的基因组编辑工具协同结合。
植物组织培养与基因操作的整合策略
植物组织培养技术，结合包括CRISPR/Cas系统在内的基因操作方法，已成为实现可食用油料作物直接或间接再生的高效研究工具。这些技术已成功应用于芸苔（Brassica juncea）、甘蓝型油菜（Brassica napus）、大豆（Glycine max）、红花（Carthamus tinctorius）、向日葵（Helianthus annuus）、芝麻（Sesamum indicum）和花生（Arachis hypogaea）等主要油料作物。无论是直接的还是间接的基因转移方法，如CRISPR/Cas系统、农杆菌（Agrobacterium）介导的转化、花粉转化、基因枪（粒子轰击）、电穿孔、显微注射、PEG介导的原生质体融合、体细胞胚胎发生和器官发生，都被成功应用，实现了稳定、非嵌合植株的高效再生。
再生成功与否受到内部和外部多重因素的影响。内部因素包括外植体类型（如未成熟胚胎、子叶）、生长调节剂（如生长素和细胞分裂素）以及培养基的化学成分。外部因素如温度、湿度和无菌条件也至关重要。例如，甘蓝型油菜的下胚轴外植体在添加2,4-D（2 mg/L）和激动素（0.5 mg/L）的MS培养基上，于25°C黑暗条件下培养14-21天，可获得高达95%的愈伤组织诱导率；随后在添加BAP（1 mg/L）和NAA（0.1 mg/L）的MS培养基、16小时光周期下，可获得85-90%的芽再生率。相比之下，大豆因其顽拗性，再生效率较低，其下胚轴外植体需要在B5培养基上使用TDZ（2-4 mg/L）和NAA（0.5 mg/L），并常需添加硝酸银（10 mg/L）来减少乙烯诱导的褐变，方能获得40-50%的再生率。
CRISPR/Cas在性状精准改良中的应用
植物组织培养技术与CRISPR/Cas等基因编辑系统的结合，使得精准靶向和编辑调控基因（如转录因子）和非调控基因（如结构或酶蛋白编码基因）成为可能，从而直接改良与辛辣味、异硫氰酸盐生成和褐变等相关的性状。例如，在芥菜（Brassica juncea）中，通过CRISPR/Cas9敲除调控脂肪族芥子油苷生物合成的转录因子MYB28，可使芥子油苷含量降低70-90%。在大豆中，针对与褐变相关的多酚氧化酶（PPO）基因进行编辑，可改善其加工品质。
此外，通过编辑脂肪酸代谢相关的基因，可以优化油料作物的油脂组成。例如，FAD2基因催化油酸（单不饱和脂肪酸，MUFA）向亚油酸（多不饱和脂肪酸，PUFA）的转化。在甘蓝型油菜中，编辑FAD2-1基因可将油酸含量从60%提高到80%。在大豆中，FAD2基因的敲除也可将油酸含量提升至50-65%。另一个例子是KASII基因，它参与饱和脂肪酸的延伸，在红花中编辑该基因可以增加硬脂酸含量。这些精准编辑为生产营养更丰富、更稳定的食用植物油提供了强大工具。
无土栽培在再生体系中的优势
无土栽培技术，即在充满水溶性养分的溶液或惰性基质中而非土壤中种植作物，为作物在封闭可控环境生态系统（CCEE）中的生产提供了有效平台。将组培苗成功定植于CCEE内的标准化水培或基质培无土系统中，可以确保植株生长均匀，并提高再生效率。无土栽培能显著减少再生过程中的植株损失，促进均匀生长，并缓解白化苗形成、结实不良和失水等常见问题。这主要是通过优化养分输送、控制环境参数和改善再生植株的生理适应性来实现的。
在可食用油料作物中，CCEE下的无土栽培在调节品质相关性状方面展现出巨大潜力，包括降低辛辣味、异硫氰酸盐和芥子油苷含量、芥酸和二十碳烯酸水平以及减少褐变发生率。将无土栽培系统整合到CCEE中，进一步增强了生物生长响应、代谢活动、养分转运、种质保存和整体产量表现。
快速育种加速遗传增益
快速育种技术是在CCEE条件下进行性状改良、群体品系选育和快速品种及种子开发的强大高效工具。这些技术包括混合法、系谱法、回交、单籽传法（SSD）等，与无土栽培结合时，能在CCEE条件下在1-2年内完成性状改良、群体选育和品种或种子生产，从而显著缩短常规育种周期。
在可食用油料作物中，再生的非嵌合植株被转移到CCEE内的无土水培或基质培系统中进行驯化和生理适应。随后，这些再生群体接受快速育种，以进行定向性状改良、生物强化、群体选育和快速种子繁殖。这种综合策略有效缓解了常见的育种限制，如形态异常、雄性不育、自交不亲和、胚胎败育、花粉活力降低和结实不良。快速育种还有助于提高生化品质性状，包括降低芥酸、二十碳烯酸含量和减少褐变发生率，从而在CCEE条件下促进营养生物强化。
技术挑战与监管考量
尽管前景广阔，但植物组织培养结合CRISPR/Cas等技术仍面临耗时、劳动密集、需要高技术专长等挑战。基于组织培养的再生的一个主要限制是基因型依赖性，不同品种对离体条件的反应不同，这在花生和芝麻等顽拗性油料作物中限制了再生方案的扩展性和更广泛适用性。此外，CRISPR/Cas在具有多倍体和复杂基因组重排特征的油料作物中实现精确性状修饰的效果往往较差。许多油料作物的顽拗性，涉及坚硬的细胞壁、复杂的细胞组织和多倍体基因组，阻碍了CRISPR试剂（如Cas9和向导RNA）的有效递送。
基因组编辑油料作物的部署和商业化深受各国监管政策的影响，这些政策通常基于定点核酸酶（SDN）框架对基因组编辑植物进行分类。SDN-1编辑（产生小的插入/缺失，不使用供体DNA）在越来越多国家被视为类似于自然发生的突变或常规诱变。因此，美国、阿根廷、巴西、日本、澳大利亚和印度等国对SDN-1产品采取了简化监管的途径，前提是最终植物中不残留外源DNA。SDN-2编辑（使用短供体DNA模板进行精确核苷酸替换或小范围靶向修饰）通常根据具体情况进行评估。相比之下，SDN-3编辑（涉及外源遗传物质的插入）在大多数国家受到既有的转基因生物（GMO）生物安全框架的严格监管。欧盟等地区通常对SDN-1和SDN-2产品采取严格的监管方法，在现行立法下将其与转基因生物类似对待。
未来展望
未来的研究需要系统评估通过整合无土栽培、植物组织培养和CRISPR/Cas等先进基因编辑技术在CCEE条件下可食用油料植物的再生效率。研究还应关注再生群体的选育进展、碳足迹评估和碳封存效率，以确定这些集成系统的环境可持续性。需要进行比较研究，以评估不同再生方法下的世代时间、生化组成、基因表达谱、养分富集和潜在毒性。此外，应探索CCEE下再生过程中的基因调控机制、基于Donald概念的理想型发育、关键农艺和品质性状的遗传力以及代谢途径的调控。应特别强调利用这些集成技术平台来增强品质属性，如辛辣味调控、芥子油苷产量优化和油脂组成改善。
总之，组织培养、CRISPR/Cas基因组编辑、无土栽培和快速育种的融合，为克服可食用油料作物的再生瓶颈、加速遗传改良和油脂性状评估提供了一条强有力的策略。通过在多学科框架内整合这些技术，有望开发出高产、营养丰富、适应气候变化且可持续的油料作物品种，为全球粮食和营养安全做出贡献。
