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十字花科作物是全球重要的经济植物，其产量和品质直接影响食用油和蔬菜的供应。这些作物多为多倍体，基因组复杂且拥有大量同源基因拷贝，对基因编辑工具的高效性和特异性提出了更高要求，同时也为研究多倍体基因组编辑规律提供了理想模型。传统育种方法如杂交育种和诱变育种受限于
十字花科作物是全球重要的经济植物，其产量和品质直接影响食用油和蔬菜的供应。这些作物多为多倍体，基因组复杂且拥有大量同源基因拷贝，对基因编辑工具的高效性和特异性提出了更高要求，同时也为研究多倍体基因组编辑规律提供了理想模型。传统育种方法如杂交育种和诱变育种受限于周期长、效率低和特异性差，难以实现精准遗传改良。基因编辑技术以其精准、高效和靶向特定基因组位点的特性，成为作物育种的核心工具。其中，锌指核酸酶（ZFNs）和转录激活因子样效应物核酸酶（TALENs）依赖蛋白质-DNA识别，设计复杂且成本高昂；而CRISPR-Cas系统通过向导RNA（guide RNA）与靶标DNA之间的碱基配对实现精准识别，操作简便、效率高，是目前应用最广泛的编辑工具。碱基编辑器（base editors）和先导编辑器（prime editors）可在不产生双链断裂（double-strand breaks, DSBs）的情况下实现单核苷酸替换或小片段插入，适用于点突变的定向修饰。本综述总结了基因编辑技术在十字花科作物抽薹/开花、株型、营养品质、非生物胁迫（温度、盐碱、干旱、重金属）耐受性以及生物胁迫（病害、虫害）抗性方面的研究进展。研究人员分析了面临的挑战，包括脱靶效应、多倍体基因组编辑困难以及遗传转化体系不完善等问题，并探讨了未来将基因编辑与多组学及人工智能相结合的发展方向。本综述旨在为十字花科作物的精准分子育种提供理论依据和技术支撑。
一、研究背景与科学问题
十字花科作物是全球广泛栽培的经济植物，涵盖约357属4158种，年种植面积超过4000万公顷，产值占蔬菜总产值的35%以上，在保障粮食安全、促进农村经济发展和维持农业生态系统平衡中发挥着不可替代的作用。该类作物富含β-胡萝卜素、花青素、维生素C、叶酸及膳食纤维等多种营养物质，其特有的硫代葡萄糖苷（glucosinolates, GS）及其水解产物异硫氰酸酯（isothiocyanates, ITCs）具有显著的抗癌活性和化学预防特性。
然而，传统育种方法受环境因素制约，耗时长、劳动强度大且选择效率低。转基因育种虽能大幅拓展遗传变异，但因涉及外源基因随机整合而受到严格监管，商业化进程缓慢。相比之下，基因编辑技术可实现对作物内源基因组的精准修饰而不引入外源基因，其诱导的变异与自然突变高度相似，生物安全性显著提高。自2022年起，中国实施差异化监管政策，对不含外源残留的基因编辑作物免于严格的转基因监管，有效促进了多组学和人工智能辅助精准育种及种质创新的发展。
目前，十字花科作物基因编辑面临三大核心挑战：脱靶效应难以完全消除、多倍体基因组编辑因同源基因冗余而困难重重、部分作物的遗传转化体系尚不完善。因此，系统梳理基因编辑技术在十字花科作物中的应用进展，对于推动精准分子育种具有重要意义。
二、研究内容与主要结论
研究人员系统回顾了基因编辑技术在十字花科作物重要农艺和品质性状改良以及抗逆性提升方面的研究进展，涵盖抽薹/开花、株型、营养品质、温度胁迫、盐碱胁迫、干旱胁迫、重金属胁迫、病害胁迫和虫害胁迫等多个领域。主要结论包括：
- 1.
抽薹/开花调控：通过CRISPR-Cas9编辑白菜中的开花抑制基因BraFLC同源拷贝，获得了无需春化即可提前开花的材料；同时敲除AGL19和AGL24基因成功创制了晚抽薹白菜种质，抽薹期延迟10–11天且无不良农艺性状。
- 2.
株型优化：编辑甘蓝型油菜中的BnaMAX1、BnBRI1、BnaBP等基因，分别参与独脚金内酯合成和油菜素内酯信号通路，获得了半矮化、紧凑株型的种质，降低了倒伏风险并改善了机械采收适应性；敲除BnaTAC1使分枝角度显著减小，有利于密植和机械化作业。
- 3.
营养品质改良：编辑不结球白菜中抗坏血酸（AsA）合成限速酶GGP基因的上游开放阅读框（uORF），显著提高了内源AsA含量；编辑羽衣甘蓝中的三个BoaAOP2同源基因，重塑脂肪族硫代葡萄糖苷侧链修饰代谢流，促进了具有抗癌活性的萝卜硫苷（glucoraphanin, GRA）积累；编辑芥菜中五个BjuAOP2同源基因，实现了GRA的超高积累；编辑甘蓝型油菜中BnaFAD2基因家族的功能拷贝，提高了油酸含量；利用CRISPR-Cas12a编辑异源四倍体芥菜中17个功能I类黑芥子酶基因，成功阻断了辛辣味物质的产生。
- 4.
温度胁迫耐受性：在拟南芥中创建CBF1/2/3三重缺失突变体，证实CBF基因是冷驯化的核心因子；敲除青花菜中的BoNAP基因，创制了对42°C高温和-9°C冻害均具耐受性的新种质；构建拟南芥USP1纯合功能缺失突变体，发现其特异调控植物的热启动获得性耐热性而不影响基础耐热性和正常生长发育。
- 5.
盐碱胁迫耐受性：敲除拟南芥AITR全基因家族，突变体表现出显著增强的耐旱和耐盐性且不影响正常生长；敲除青花菜BoNAP基因显著提升了耐盐性；编辑甘蓝型油菜中四个BnaMPK6同源拷贝，证实其正向调控耐盐性；敲除BnaA2.HKT1揭示了硼元素调控植物耐盐性的分子机制。
- 6.
干旱胁迫耐受性：编辑甘蓝型油菜中BnNAC038同源拷贝获得的突变体在干旱处理13天后存活率超过80%（野生型不足20%）；敲除BnPUB12导致突变体在干旱下叶片严重萎蔫卷曲；敲除BnaABI4突变体复水后恢复最差，证实其正向调控耐旱性并负调控气孔密度。
- 7.
重金属胁迫耐受性：编辑甘蓝型油菜BnCUP1基因显著降低镉积累同时增加生物量和产量，解决了“降镉伴随减产”难题；在拟南芥中创建WAKL4敲除系，证实其为镉特异性耐受的关键正调控因子；编辑BnaNRAMP1基因第7外显子，获得低镉高产油菜种质资源。
- 8.
病害胁迫抗性：敲除甘蓝中易感基因BoBPM6，获得对黑腐病和根肿病兼具中等抗性的新种质；敲除甘蓝型油菜BnaA07.SUC2显著增强根肿病抗性；编辑BnWRKY70突变体对核盘菌抗性显著增强；敲除BnaPRT6的四重突变体病斑面积减少29.1%；敲除GSL5赋予对多个根肿病菌生理小种的广谱抗性；编辑eIF(iso)4E基因使突变体对芜菁花叶病毒（TuMV）完全免疫且无发育缺陷。
- 9.
虫害胁迫抗性：编辑拟南芥bHLH19/20双突变体对草地贪夜蛾和甜菜夜蛾的抗性显著增强；敲除甘蓝型油菜BnaFAH在短日照条件下触发活性氧（ROS）积累，进而激活茉莉酸（JA）信号通路，最终提升对小菜蛾的抗性。
三、关键技术方法
研究人员主要采用了以下核心技术方法：1）序列特异性核酸酶（SSNs）技术，包括锌指核酸酶（ZFNs）、转录激活因子样效应物核酸酶（TALENs）和CRISPR-Cas系统（主要为Cas9和Cas12a/Cpf1）；2）碱基编辑技术（base editing），包括胞嘧啶碱基编辑器（CBEs）和腺嘌呤碱基编辑器（ABEs），可在不产生DNA双链断裂（DSBs）的情况下实现单碱基转换；3）农杆菌介导的花序浸蘸法用于拟南芥稳定转化；4）基于CRISPR-Cas9的多重基因编辑策略，针对多倍体作物中的同源基因家族进行同步敲除；5）全基因组重测序技术用于评估脱靶效应；6）结合全基因组关联分析（GWAS）鉴定关键抗性基因座。
四、总结与展望
本综述系统总结了基因编辑技术在十字花科作物抽薹/开花、株型、营养品质、非生物胁迫（温度、盐碱、干旱、重金属）耐受性以及生物胁迫（病害、虫害）抗性改良方面的研究进展。研究表明，CRISPR-Cas系统已成为十字花科作物基因组编辑的主流平台，碱基编辑技术进一步拓展了精准编辑的能力。然而，该领域仍面临多项挑战：脱靶效应无法完全消除、PAM序列限制靶标选择范围、同源重组修复（HDR）介导的精确基因敲入效率远低于非同源末端连接（NHEJ）、不同物种和基因组区域的编辑效率差异显著、多重基因编辑和大片段基因组操作困难，以及部分作物遗传转化体系不完善。
研究人员指出，未来发展方向应聚焦于：将基因编辑技术与多组学（基因组学、转录组学、代谢组学等）及人工智能深度融合，以提高编辑效率和特异性；开发更高效的递送系统和新型编辑工具；建立和完善更多十字花科作物的遗传转化体系；推动无外源残留基因编辑作物的产业化应用。
