隨著全球人口激增和對糧食需求的持續增長，我們如何才能最大限度地減少作物產量損失？最大限度地提高作物的抗逆性？植物基因編輯技術的出現標誌著乙個關鍵時刻，開啟了農業和生物科學的新紀元。 CRISPR-Cas系統最初是從細菌和古細菌中發現的一種天然防禦機制。 該系統通過保留病毒和外源DNA的片段以及使用sgRNA和CAS蛋白來執行基因組編輯。 sgRNA的設計至關重要，因為它決定了cas蛋白在基因組中開始編輯的位置。 Cas蛋白是CRISPR-Cas系統的“剪刀”，負責切割和編輯靶基因。 目前，使用最廣泛的CRISPR-Cas系統是Cas9和Cas12A複合物，它們都是進行核酸切割的單效應蛋白。 CRISPR Cas12a系統的crRNA比sgRNA短，Cas12A蛋白也比Cas9蛋白小，使合成更加經濟方便Cas12A具有更寬的PAM序列（TTTV）選擇範圍，增加了目的基因的可編輯性;Cas12A切割DNA形成粘性末端，更容易引入不同的修復途徑，提高編輯效率在多個物種的基因編輯中，Cas12a表現出較低的脫靶率。 一旦 CAS 蛋白切割 DNA 產生雙鏈斷裂，細胞就會啟動 DNA 損傷修復機制來修復斷裂。 兩種最常見的編輯方法是功能性基因敲除和基因（片段）定點敲入替換。 此外，為了滿足更精準、更廣泛的適用性，單鹼基編輯和引導式編輯也顯示出突出的優勢。 利用CRISPR-Cas9技術特異性敲除功能基因的能力，科學家們發現了其在植物生物學中的廣泛應用。 這種偏好源於 Cas9 蛋白誘導靶 DNA 雙鏈斷裂的能力，隨後促使宿主生物啟用非同源末端連線 （NHEJ） 修復途徑。 在大多數情況下，鹼基和插入缺失（插入缺失）可以在切割位點附近產生。 然而，不精確的修復會導致移碼突變。 
功能基因敲除和定點敲入替換技術當CRISPR-Cas9用於引入DNA雙鏈斷裂並在兩端引入供體片段時，片段的兩端攜帶與DNA斷裂相似的序列，則編輯受體具有啟動同源定向修復（HDR）的一定概率。 這種修復途徑能夠通過同源重組精確插入或替換供體片段。 相較於NHEJ通路導致的隨機插入或缺失，該編輯方法更加準確靈活，可實現控制優良性狀的多個基因的穩定聚集，解決了傳統育種中優良性狀無法遺傳的問題，因此具有更廣闊的應用前景。 單鹼基編輯技術是指在感興趣的基因片段的特定位點精確改變單個鹼基。 胞嘧啶編輯器（CBE）和腺嘌呤編輯器（ABE）系統的建立，使單鹼基編輯實現四種形式的鹼基轉化（CT、G、A、A、T、C）。 單鹼基編輯的區別在於它不依賴於DNA雙鏈斷裂的產生，既規避了NHEJ修復通路的隨機性，又擺脫了HDR修復通路效率低下的侷限性。 
單鹼基編輯技術（CBE&abe系統）Prime Editor是一種超精密的新型DNA編輯工具，可直接在活細胞基因組內的靶位點進行所有型別的DNA編輯，包括替換、小插入和缺失，而不會形成DSB。 PE 蛋白由切口酶 Cas9 （NCAS9） 和逆轉錄酶 （RT） 融合形成。 這些 PE 蛋白與引導 Prime Editor （PegRNA） 的 RNA 協同工作，PegRNA 具有將編輯後的蛋白質引導至編輯靶位點的雙重功能，同時提供可編輯的 RNA 模板。 在PegRNA的指導下，PE會精確切割目標DNA單鏈，然後根據PEGRNA自帶的編輯模板，從缺口延伸出新的DNA序列。 細胞內的內源性細胞修復機制會自動將這種新合成的序列整合到基因組中。 Prime Editor 因其高度的多功能性、編輯純度和 DNA 靶標特異性而從其他方法中脫穎而出。 
CRISPR-Cas基因編輯技術由於具有操作簡單、編輯效率高、支援多靶點編輯、編輯形式多樣等優點，在短短幾年內發展迅速，已廣泛應用於多種植物中，為基因功能研究和作物性狀改良做出了重要貢獻。 提高產量
通過操縱參與光合作用的基因，我們可以提高作物的光合速率和光利用效率，以及它們通過根部吸收水分和養分的能力。 這種綜合方法可以顯著提高作物產量，提高對乾旱條件的適應能力。
增強抗病能力
剪接和滅活病原體所依賴的宿主基因，從而提高作物對病原體的抗性。 通過抑制病原體的入侵和繁殖，作物能夠更好地應對疾病的威脅。
提高抗蟲能力
通過引入特定的抗蟲基因，作物能夠產生特殊的抗蟲蛋白。 這種突破性方法可以減少對殺蟲劑的需求，同時保護作物免受昆蟲侵害。
提高質量
通過調控澱粉合成、果實成熟等與食品品質相關的基因，改變作物的口感、香氣、色澤、營養價值和貯藏特性，從而提高其整體品質。
2024年7月21日，一篇題為《基於CRISPR的作物改良：實現零飢餓之路》的文章發表在《農業與食品化學雜誌》上。 摘要：本文全面概述了CRISPR-Cas技術及其在改良糧食作物方面的最重要應用，以及有助於培育未來作物和消除全球飢餓的當前和潛在的技術突破。 與常規育種相比，CRISPR-CAS系統有望加速改良作物品種的開發，為實現零飢餓目標鋪平道路。 
fig.通過CRISPR-Cas系統改良作物（例如水稻）的不同策略。 （a） CRISPR-CAS 系統靶向敏感基因 （SU） 的生物脅迫耐受性。 （b） 減少重金屬的積累;例如，通過CRISPR-Cas系統靶向低矽稻（OSLSI）可減少水稻中砷（AS）的積累。 （c） 通過靶向致敏基因提高植物（如水稻）對非生物脅迫的耐受性。 （d） 改善光合作用;CRISPR-Cas系統可以精確有效地靶向線粒體和葉綠體細胞器中存在的幾種光合作用負調節因子，以提高植物的光合活性。 （e） 提高穀物質量;通過CRISPR-Cas系統編輯穀物質量抑制因子（Q基因）以生產高質量的穀物，例如，通過操縱粒徑3（OSGS 3）來改善公尺粒的物理外觀。 （f） 提高淹沒存活率;CRISPR-Cas系統破壞植物（例如水稻）中的赤黴酸合成途徑也可以提高完全或部分浸沒條件下的存活率。 （g） 改善根系結構;例如，在水稻中，編輯酶（osarg）可以提高次生根的數量，這有助於植物從土壤中吸收更多的養分，從而提高穀物產量。 （h） 改善工廠結構;通過CRISPR-Cas系統對植物結構的改造可以帶來一場新的綠色革命。 例如，德拉蛋白限制植物的生長和發育;因此，編輯 della 蛋白可產生健壯而矮化的水稻品系。 CRISPR基因編輯技術的突破正在徹底改變世界農業，為滿足世界日益增長的糧食需求提供了新的機會。 這項突破性技術使我們能夠精心定製作物的基因組成，在提高作物產量、增強抗逆性和抗蟲性以及提高整體質量方面具有巨大潛力。 鴻迅科技擁有近10年的作物全基因組編輯經驗。 依託自主智財權演算法，提供植物全基因組的sgRNA設計和文庫合成，覆蓋水稻、小麥、玉公尺等10餘個物種。 我們的解決方案使客戶能夠訪問數千個與形狀相關的關鍵基因，通過基因編輯技術加速研究人員對作物遺傳多樣性的探索，同時大大縮短作物育種時間。 
展望未來，植物基因編輯技術將繼續推動生命科學的發展。 精準基因編輯將變得更加精確和高效，使研究人員能夠實現更精細的基因調控。 此外，多基因調控的探索將成為重要的研究途徑，為植物性狀的高複雜性提供了可能。 reference[1] anzalone **randolph pb, d**is jr, sousa aa, koblan lw, levy jm, chen pj, wilson c, newby ga, raguram a, liu dr. search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor dna. nature. 2019 dec;576(7785):149-157.[2] li h, xie k. recent progresses in crispr genome editing in plants. sheng wu gong cheng xue bao. 2017 oct 25;33(10):1700-1711.[3] zhan x, lu y, zhu jk, botella jr. genome editing for plant research and crop improvement. j integr plant biol. 2021 jan;63(1):3-33.[4] gao c. genome engineering for crop improvement and future agriculture. cell. 2021 mar 18;184(6):1621-1635.[5] liu yg, li gs, zhang yl, chen lt. current advances on crispr/cas genome editing technologies in plants. 2019 vol.40 no.5 pp.38-49.[6] shakeel ahmad, liqun tang, rahil shahzad, amos musyoki mawia, gundra sivakrishna rao, shakra jamil, chen wei, zhonghua sheng, gaoneng shao, xiangjin wei, peisong hu, magdy m. mahfouz, shikai hu, and shaoqing tang. journal of agricultural and food chemistry 2021 69 (30), 8307-8323