《Ecological Genetics and Genomics》：CRISPR/Cas9 Gene Editing Technology: Advancing Sustainable Agriculture and Crop Improvement
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贝赫扎德·哈吉埃格拉里（Behzad Hajieghrari）|索玛耶·哈姆拉希（Somayeh Hamrahi）|萨纳兹·赫马蒂-阿斯尔（Sanaz Hemmati-Asl）|哈尼耶·沙赫戈巴迪（Hanieh Shahghobadi）伊朗贾赫罗姆大学（Jahrom Univer
贝赫扎德·哈吉埃格拉里（Behzad Hajieghrari）|索玛耶·哈姆拉希（Somayeh Hamrahi）|萨纳兹·赫马蒂-阿斯尔（Sanaz Hemmati-Asl）|哈尼耶·沙赫戈巴迪（Hanieh Shahghobadi）
伊朗贾赫罗姆大学（Jahrom University）农业学院农业生物技术系
摘要
随着世界人口的持续增长，全球粮食安全、气候变化和可持续农业成为紧迫的挑战。CRISPR/Cas9基因编辑技术提供了一种精确修改遗传物质的方法，能够培育出抗逆性强、产量高、耐逆性更强且对环境影响较小的作物——通常无需引入外源DNA。该技术在水稻（提高产量）、小麦（增强抗病性）和番茄（延长保质期）方面的成功应用展示了其多功能性。本文批判性地评估了CRISPR/Cas9在作物改良中的优势与局限性，综合了当前关于技术能力、监管框架和实施挑战的知识。主要进展包括开发出高保真度的Cas9变体，可将脱靶效应降低50-90%，以及多基因编辑系统，可实现同时改良多个性状。然而，仍存在关键知识空白：关于生态影响的长期田间数据有限，对于难改造作物存在物种特异性的递送障碍，以及碎片化的监管框架导致贸易壁垒和合规成本增加。本文指出了这些不足，并提出了研究重点——包括田间验证、统一监管方法和公平获取机制——以充分发挥CRISPR/Cas9在发展气候适应型和可持续农业系统中的作用。
章节摘录
引言
可持续农业在为不断增长的世界人口提供食物的同时，对于保护地球有限的资源至关重要。预计到2050年，全球人口将达到100亿，因此将粮食安全与环境保护、减排和社会经济福祉结合起来至关重要。在推动可持续农业发展的技术中，基因工程能够精确修改作物的性状，如耐旱性、抗虫性和养分利用效率。
CRISPR/Cas9：历史与发展
2012年，詹妮弗·杜德纳（Jennifer Doudna）和埃马纽埃尔·夏彭蒂埃（Emmanuelle Charpentier）在《科学》（Science）杂志上发表了一篇具有变革性的论文，描述了一种源自细菌CRISPR-Cas9系统的新基因编辑方法（Gostimskaya 2022）。CRISPR最初被描述为细菌的一种适应性免疫系统，其中CRISPR相关（Cas）蛋白帮助细菌识别并切割感染它们的病毒DNA（Loureiro和da Silva 2019）。后来被识别为CRISPR阵列的重复DNA序列...
CRISPR-Cas9的生物学机制
CRISPR/Cas9系统通过利用细胞的天然DNA修复机制实现精确的基因组修饰。在Cas9引入双链断裂（DSB）后，修复可以通过非同源末端连接（NHEJ）或同源定向修复（HDR）进行。NHEJ通常会产生小的插入或缺失（indels），从而破坏基因功能，而HDR则可以利用供体模板实现精确的序列整合（Barakate和Stephens, 2016）。
在农业中的应用
与传统育种方法相比，CRISPR-Cas9技术在农业中的应用将对环境带来诸多益处，并有助于应对现代农业生产中的挑战。其中最显著的优势是CRISPR-Cas9技术极高的特异性（见表1）。由于CRISPR-Cas9技术使科学家能够生成单导向RNA...
面临的挑战与局限性
尽管CRISPR-Cas9已在农业中得到应用，但在其得到全面利用和安全应用之前，仍有许多问题需要解决。第一个问题是CRISPR-Cas9的脱靶效应。尽管其目标特异性很高，但它仍有可能导致脱靶突变，从而干扰目标生物体的重要过程（Hunt等人，2023）。CRISPR-Cas9的脱靶修饰可能会产生不可预测的结果...
公众认知
调查显示，超过75%的受访者对CRISPR了解不足，许多人将CRISPR与传统的转基因生物（GMOs）混淆。在知识水平较低的受访者中，只有33%认为CRISPR的益处大于其相关风险，而在知识水平较高的受访者中这一比例为71%（Deka等人，2025）。公众对转基因生物的怀疑态度对CRISPR技术的接受度也有显著影响；然而，基因编辑作物往往...
未来方向与前景
在可预见的未来，CRISPR/Cas9系统将继续处于农业生物技术的前沿，通过持续创新解决现有局限性并扩展应用范围。几个有前景的研究方向将塑造下一代作物改良。
与传统育种的比较分析
CRISPR与传统育种方法在工作原理、效果及结果方面存在显著差异。CRISPR在准确性方面更优，且耗时较短，但在监管和技术方面仍存在障碍。下表展示了这两种方法的区别。
经济影响
CRISPR/Cas9基因编辑技术的出现通过提高作物生产力、降低投入成本和缓解全球粮食安全问题，正在改变农业经济的面貌。尽管存在监管和技术挑战，但其快速普及正在推动市场增长，并对全球农民产生积极影响。预计农业CRISPR市场将从2025年的4.5586亿美元增长到2030年的9.0765亿美元，复合年增长率（CAGR）为...
结论
本文批判性地评估了CRISPR/Cas9技术在可持续作物改良方面的现状。得出三个关键结论：
1.精确性和多功能性已得到验证，但实际应用进展缓慢。CRISPR/Cas9能够以更高的速度和特异性实现目标性状的改良。高保真度变体和多基因编辑技术扩展了功能，但从实验室概念验证到田间应用的转化仍然缓慢...
CRediT作者贡献声明
萨纳兹·赫马蒂-阿斯尔（Sanaz Hemmati-Asl）：撰写——初稿、资料收集、调查。哈尼耶·沙赫戈巴迪（Hanieh Shahghobadi）：撰写——初稿、资料收集、调查。贝赫扎德·哈吉埃格拉里（Behzad Hajieghrari）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、资料收集、调查。索玛耶·哈姆拉希（Somayeh Hamrahi）：撰写——初稿、资料收集、调查
《卡塔赫纳生物安全议定书》，2000年；ISAAA，2024年；Mascarenhas等人，2024年；Pew研究中心，2024年；Zhou等人，2015年。
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数据可用性声明
本研究的数据尚未在其他地方发表，并将按照期刊的数据可用性政策提供。
由于本研究不涉及人类参与者、动物或危险物质，因此无需伦理批准，所有程序均完全符合伦理标准。
资金来源
未接受任何外部财务支持；所有研究相关费用均由作者承担。
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