全 文 ：·特约综述· 2015, 31(4):25-33
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
收稿日期 ：2015-03-08
基金项目 ：中国科学院重要方向性项目（KSCX2-EW-N-06），中国科学院战略性先导科技专项（XDB11030500）
作者简介 ：程曦，女，博士研究生，研究方向 ：植物和病原微生物互作 ；E-mail ：chengx02@163.com
通讯作者 ：邱金龙，男，博士，研究员，研究方向 ：植物与病原微生物分子互作 ；E-mail ：qiujl@im.ac.cn
随着新一代测序技术的出现，越来越多的植
物物种完成了全基因组测序工作。面对海量的基因
组序列信息，科研工作者面临的新挑战就是如何解
读这些序列信息和诠释基因的功能，并利用基因组
信息为人类造福。过去几十年中，通过转座子或
T-DNA 插入和 RNA 干扰下调特定基因表达的“反
向遗传学”成为分析基因功能的一种有效方法。但
T-DNA 或转座子插入是随机的，在基因组上的位置
是不可控的 ；同时，RNA 干扰效果是短暂的，对
基因组编辑 ：植物生物技术的机遇与挑战
程曦  王文义  邱金龙
（中国科学院微生物研究所植物基因组学国家重点实验室，北京 100101）
摘 要： 基于序列特异性核酸酶的基因组编辑技术可以在不同物种中对目标基因进行定点敲除，并可实现特定基因片段置换，
基因的定点插入等基因组靶向修饰。基因组编辑是一种精准和高效的基因工程方法，近年来快速发展并得到了广泛的应用，并将
改变生物技术的现状。目前，基因组编辑在不同植物，特别是农作物中的技术体系已建立，初步展示了其在植物生物技术领域的
巨大潜力。介绍了不同基因组编辑系统的工作原理，并对基因组编辑技术在植物研究中的应用及成功案例进行了综述，最后对基
因组编辑在植物生物技术领域所面临的机遇与挑战进行了讨论。
关键词 ： 序列特异性核酸酶 ；基因组编辑 ；植物基因工程
DOI ：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.03.016
Genome Editing ：the Opportunities and Challenges for Plant
Biotechnology
Cheng Xi Wang Wenyi Qiu Jinlong
（State Key Laboratory of Plant Genomics，Institute of Microbiology，Chinese Academy of Science，Beijing 100101）
Abstract: Genome editing based on sequence-specific nucleases could introduce targeted genome modifications, such as site-directed
gene disruption, gene replacement or insertion in various species. As a preciseand efficient tool for genome engineering, genome editing has been
extensively studied and widely applied during pastseveral years, and it would eventually change the current status of biotechnology. Genome
editing system has now been established in plants, especially crops and already displayed its great potential in the field of plant biotechnology.
In this review, we first briefly explain the working principles of different genome editing systems, and then list some examples of different
applications of genome editing in plant research and breeding. Finally, we discuss the opportunities and challenges brought by genome editing to
plant biotechnology.
Key words: sequence-specific nuclease ；genome editing ；plant genome engineering
基因表达的调控不可稳定遗传。Cre/loxP 系统 ［1］、
PiggyBac 转座子系统［2］、PhiC31 整合酶系统［3，4］等
位点特异性重组技术在体外实验或模式动物中可实
现对基因的定点修饰，并在动物实验中得到了广泛
应用，但不能广泛适用于植物基因功能的研究。此外，
因为在植物中同源重组的效率很低，所以对植物基
因组进行精确修饰和改造非常困难。近几年，基于
序列特异性核酸酶的基因组编辑技术的出现，为植
物基因组定点修饰提供了行之有效的新方法，成为
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.426
研究植物基因功能的重要工具。
基因组编辑是使用序列特异性核酸酶在基因组
特定位点实现 DNA 的插入、替换或删除，从而在
基因组水平对基因进行精确、定向修饰的一种高效
的基因工程方法。序列特异性核酸酶锚定到基因组
上的靶位点，对靶标 DNA 进行切割产生双链断裂
（Double strand breaks，DSBs）。细胞通过同源重组
（Homologous recombination，HR）或非同源末端连接
（Non-homologous ending-joining，NHEJ）两种不同修
复机制对 DNA 产生双链断裂进行修复［5］。绝大多
数情况下，DNA 双链断裂通过非同源末端连接修复。
而非同源末端连接是易错的，常常造成碱基的添加
或缺失，两者都可造成突变，实现对基因组的定点
修饰。如有 DNA 供体，通过同源重组修复双链断裂，
有可能会对目标基因进行定点突变或者基因置换。
目前，用于基因组编辑的序列特异性核酸酶主
要有锌指核酸酶（Zinc finger nucleases，ZFNs），类
转录激活子效应蛋白核酸酶（Transcription activator-
like effector nuclease，TALEN）， 以 及 CRISPR/Cas9
系 统（CRISPR/Cas9system）。 尤 其 是 TALEN 及
CRISPR/Cas9 系统相对简单，目前已经得到了相对
广泛的应用。本文将首先综述不同基因组编辑系统
的工作原理 ；然后重点介绍基因组编辑技术在植物
研究中的应用 ；最后讨论并展望基因组编辑为植物
生物技术研究和应用所带来的机遇与挑战。
1 基因组编辑技术的工作原理
1.1 锌指核酸酶技术
锌 指 核 酸 酶 由 锌 指 蛋 白（Zinc finger protein，
ZFP）和核酸内切酶 Fok Ⅰ的核酸酶活性域两部分
融合而成［6］。其中，ZFP 是 DNA 结合结构域，负责
特定核苷酸序列的识别与结合，通常由 3-4 个 Cys2-
His2 锌指蛋白串联而成，每个锌指蛋白识别并结合
一个特异的碱基三联体，因此每个 ZFP 结合域能识
别一段 9-12 bp 的碱基序列。Fok I 是一种非特异性
的核酸内切酶，对切割位点不具识别特异性，并且
仅在二聚体状态下才具备核酸酶活性。所以，针对
每一个靶位点需要设计一对 ZFNs，这对 ZFNs 的结
合序列的间隔区域通常保持在 5-7 bp 以确保 Fok I
二聚体的形成［7，8］，这样一对 ZFNs 可对靶序列进
行特异切割并产生 DNA 双链断裂。
1.2 TALEN 技术
TALEN 的构成与 ZFN 相似，由 TALE（Transc-
ription activator-like effector） 蛋 白 DNA 结 合 域 和
Fok Ⅰ核酸酶两部分融合而成。TALE 蛋白 DNA 结
合域负责靶序列的特异性识别，而 Fok Ⅰ负责靶
位点的切割。TALE 是黄单胞属（Xanthomonas）植
物病原菌分泌的一类效应蛋白，其 DNA 结合域由
13-28 个串联的具有 DNA 识别特异性的高度保守的
重复单元组成。每个重复单元含有大约 34 个氨基
酸［9，10］，且不同单元的氨基酸序列非常保守，仅第
12 和 13 位氨基酸不同。这两个可变氨基酸被称为
重复可变的双氨基酸残基（Repeat-variable diresidue，
RVD），它们决定重复单元的 DNA 识别特异性。例如，
NI 识别 A、HD 识别 C、NG 识别 T、NN 和 NK 识别
G［11，12］。构建识别特定靶序列的 TALEN 时，只需
把与序列对应的重复单元进行串联组装即可。同样，
由于 Fok I 在二聚体状态下才具有核酸酶活性，针对
每一个靶位点也需要上下游各设计一个 TALEN，这
对 TALENs 结合序列的间隔区则在 12-21 bp 之间。
1.3 CRISPR/Cas9系统
在超过 40% 的真细菌和 90% 的古细菌中存在
一类特殊的成簇 DNA 序列，它们由一系列短的高度
保守的正向重复序列（Direct repeat，DR）与高度可
变的间隔序列（spacer）交替排列组成，被称为成簇
的规律间隔短回文重复序列（Clustered regularly inte-
rspaced shortpalindromic repeat，CRISPR）［13，14］。 在
CRISPR 侧翼区域存在 CRISPR 相关基因（CRISPR-
associated，Cas）。CRISPR/Cas 是古细菌和真细菌用
于清除外源入侵 DNA 的一种免疫系统［15］。根据
Cas 基因核心元件序列的不同，CRISPR/Cas 免疫系
统被分为 3 种类型，其中Ⅱ型系统最简单。人们改
造了 II 型 CRISPR/Cas 系统成为序列特异性核酸酶，
使其能够像 ZFN 和 TALEN 那样对 DNA 进行靶向切
割， 称 为 CRISPR/Cas9 系 统。CRISPR/Cas9 系 统 只
由 Cas9 蛋白与 sgRNA（single-guide RNA）构成，通
过 sgRNA 与靶序列 DNA 的碱基配对招募 Cas9 蛋白
来切割 DNA 双链，产生 DNA 双链断裂［16］。靶序列
通常由 23 个碱基组成，包括与 sgRNA 碱基配对的
2015,31(4) 27程曦等：基因组编辑：植物生物技术的机遇与挑战
前 20 个碱基以及 3 端 Cas9 识别的三核苷酸 NGG
的 PAM（protospacer adjacent motif） 序 列。Cas9 切
割位点位于 PAM 上游 3 nt 处。靶序列的结合特异
性 是 由 sgRNA 和 PAM 序 列 共 同 决 定 的。Cas9 蛋
白不需要形成蛋白二聚体起作用，而 gRNA（guide
RNA）通过碱基互补配对决定靶序列的特异性，因此，
CRISPR/Cas9 系统大大降低了技术门槛，一经面世
就迅速得到广泛应用。
2 基因组编辑技术在植物中的应用
2.1 基因敲除
基因敲除是研究基因功能最直接而有效的手段。
以基因组靶向修饰为基础的反向遗传学研究，成为
基因组编辑在植物生物学中最直接的应用（图 1-A，
B）。不同的基因组编辑系统均可在特定位点产生
DNA 双链断裂，通过发生频率高的 NHEJ 修复机制，
可以在切口处引起碱基的插入或缺失，从而导致蛋
白质翻译的提前终止或移码突变，进而实现靶基因
的定点敲除。目前，利用不同的基因组编辑系统，
已经在拟南芥、烟草、水稻、番茄、马铃薯、玉米
和小麦等多种植物中实现了靶基因敲除。
2005 年，Lloyd 等［17］ 首先利用 ZFN 在拟南芥
中对人工设计的靶序列进行了定点修饰 ；在 ZFN 诱
导的 106 个突变中，有 78% 是序列缺失，13% 是序
列插入，8% 是插入和缺失同时发生 ；有 10% 突变
可以遗传到下一代。2010 年，Zhang 等［18］用 ZFNs
对拟南芥的 ADH1（ALCOHOL DEHYDROGENASE1）
及 TT4（TRANSPARENT TESTA4）基因实现了定点
突变。在 T1 代转基因植物中，ADH1 和 TT4 基因的
突变率分别为 7% 和 16%，突变类型包括碱基的插
入或缺失 ；产生的突变分别以 69% 及 33% 的频率
稳定遗传给下一代，最终通过遗传筛选及鉴定获得
具有丙烯醇抗性的 adh1 突变体及种皮发黄的 tt4 突
变体，纯合突变植物比例约为 20%。同时，ZFNs
被 用 于 对 拟 南 芥 的 ABA 信 号 转 导 基 因 ABSISCIC
ACIDINSENSITIVE 4（ABI 4）的定向敲除并成功得
到对 ABA 不敏感的 abi4 突变体［19］。大豆是古四倍
体植物，其染色体中有大约 75% 的基因是重复的，
遗传操作非常困难。但研究发现，ZFNs 也可以对
大豆基因组中序列高度相似的重叠基因（duplicated
genes）进行敲除［20］。此外，ZFNs 也被成功用于敲
除玉米内源基因［21］。虽然 ZFN 在不同植物中获得
了成功应用，但由于锌指单元对 DNA 识别特异性并
不严谨，在不同的锌指串联中识别的序列差异较大，
因此，ZFN 常常表现高频率的脱靶效应（off-target
effect）。此外，有效 ZFN 的构建也相当困难。这些
都妨碍了该技术的进一步广泛应用，目前基本上已
被新发展起来的 TALEN 和 CRISPR/Cas9 系统所取代。
TALEN 技术面世后，迅速在拟南芥原生质体中
实现了内源靶基因敲除，证明了其在植物细胞中的
适用性［22］。随之，Li 等［23］用 TALENs 定向破坏了
水稻感病基因 OsSWEET14 启动子中的效应蛋白结合
元件（effector-binding element，EBE），有效阻止了
水稻白叶枯菌（Xanthomonasoryzae）分泌的效应蛋白
与 OsSWEET14 基因启动子的结合，使 OsSWEET14
基因的表达不受白叶枯菌控制，从而提高了水稻对
白叶枯病的抗性，同时也不影响水稻生长发育中的
功能。Shan 等［24］构建了一系列 TALENs，高效敲除
了 水 稻 中 的 OsDEP1、OsBADH1、OsCKX2、OsSD1
基因与二穗短柄草中的 BdABA、BdCKX2、BdSMC6、
BdSPL、BdSPB、BdCOI1、BdRHT、BdHTA1 基 因。
在 大 豆 中， 利 用 TALENs 对 脂 肪 酸 脱 氢 酶（Fatty
acid desaturase） 基 因 FAD2-1A 和 FAD2-1B 进 行 了
靶向修饰［25］。通过鉴定，在 19 个转基因株系中有
4 个 株 系 的 FAD2-1A 和 FAD2-1B 基 因 位 点 产 生 了
突变，且 3/4 的突变可以稳定遗传到下一代。在这
两个基因的双纯合突变中油酸含量从 20% 提高到
80%，而对人体健康有害的亚油酸含量则从 50% 降
低到 4%，提高了大豆的产油量及品质。在玉米中，
利用 TALENs 也成功对玉米的 ZmPDS、ZmIPK1A、
ZmIPK、ZmMRP4 基因进行了敲除，在转基因玉米
中 TALENs 诱导的突变效率在 13.3%-39.1% 之间［26］。
序列特异性核酸酶，包括 TALEN，在多倍体植
物中的应用一直未建立。普通小麦是异源六倍体，
基因组庞大且重复序列高。因此，针对小麦的基因
功能研究及遗传育种都非常困难。最新的研究表明，
TALEN 能有效地对普通小麦基因组进行靶向的基因
组编辑。MLO 基因在大麦、拟南芥等多种植物中被
证明是白粉病菌成功侵染所必需的，一旦突变，植
物就表现出对白粉病菌的持久、广谱抗性。Wang 等［27］
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.428
利用 TALENs 获得了对小麦 MLO 基因在 A、B 和 D
基因组上的 3 个拷贝的定点突变，产生的突变可以
稳定遗传到后代并符合孟德尔遗传规律。通过小麦
白粉菌侵染实验，发现只有普通小麦 A、B 和 D 基
因组上 3 个 MLO 基因拷贝同时突变的纯合突变体
tamlo-aabbdd 表现出对白粉菌极为显著的抗性，表
明小麦 MLO 基因的 3 个拷贝在功能上存在冗余，这
也可能是到目前为止在自然条件下或利用传统育种
手段而没有获得小麦 mlo 抗病材料的主要原因。此
外，该研究还利用基因组编辑技术在小麦中实现了
基因的定点插入，插入的片段可以稳定遗传，这可
用于创制不能由简单基因敲除而产生的优良遗传特
性。该研究首次在一个多倍体物种中证明可以对多
个部分同源的基因同时并准确地进行编辑，展示了
通过基因组编辑可以实现不同物种的育种信息资源
共享。
2013 年是 CRISPR/Cas 技术发展和应用的高峰，
在植物中也得到了快速而广泛的应用。2013 年 8 月，
Nature Biotechnology 杂志同时报道了 3 个实验室利
用 CRISPR/Cas9 系统分别在双子叶植物拟南芥、烟
草及单子叶植物水稻、小麦中成功实现基因组定点
编辑的操作。其中，在拟南芥和烟草原生质体中瞬
时表达 CRISPR/Cas9，产生的突变效率分别可达到
5.6% 和 38.5%［28］；而利用农杆菌注射方法瞬时转化
烟草时，突变效率为 1.8%-2.4%［29］。Shan 等［30］利
用 CRISPR/Cas9 系统定点敲除水稻 PDS 基因，在水
稻原生质体中基因突变效率为 14.5%-38.0%，转基
因水稻中基因突变效率为 4.0%-9.4%，T0 代得到的
pds 纯合突变体表现出典型的白化和矮小表型。此后，
CRISPR/Cas9 系统被应用于多个植物物种中，包括
拟南芥、烟草、水稻、小麦、高粱、玉米、番茄
等［28-35］。例如，利用 CRISPR/Cas9 系统在水稻中诱
导产生叶绿素含量降低的 cao1 突变体和分蘖夹角增
大的 lazy1 突变体［31］。Brooks 等［32］用 CRISPR/Cas9
系统靶向修饰番茄 ARGONAUTE7 基因，在 T0 代中
就得到了有针状叶片表型的突变植株。有趣的是，
CRISPR/Cas9 系统在陆生植物进化研究的模式植物
地钱的配子体中也得到成功应用，通过对 AUXIN
RESPONSEFACTOR 1（ARF1）定向敲除，得到生长
素不敏感突变体，而且产生的突变可稳定遗传到无
性世代［33］。
2.2 多基因敲除及染色体重排
利用基因组编辑技术也可以对多个基因，甚至
非同源的基因同时敲除，为研究植物复杂性状及功
能途径提供了重要手段。通常是将靶向不同基因的
ZFNs、TALENs 或 sgRNA 同时转化植物细胞，因为
突变效率不是 100%，所以需要后期筛选以得到多个
基因同时突变的植株。例如，将分别靶向 OsDEP1、
OsCKX2 和 OsBADH2 基因的 3 对 TALENs 同时转化
水稻，在 T0 代得到了单基因、双基因及三基因发
生突变的植株，其中三基因同时产生突变的效率为
1.9%［36］。此外，科学家们也发展了一些用于多基因
敲除的 CRISPR/Cas9 系统。其中，第一代是将多个
gRNA 串联在同一个质粒上，并由 RNA 聚合酶Ⅲ启
动子起始转录［37］。这样随着靶向的基因数量的增加，
质粒变得越来越大，同时，RNA 聚合酶Ⅲ的转录需
要从特定的核苷酸起始，这些都限制该体系的应用。
最近，一个全新的通过把 tRNA-gRNA 串联排列高
效表达多个 gRNA 的方法被建立，克服了以上问题，
大大提高了对植物多个基因的敲除效率［38］。
同时对两个基因组位点进行靶向切割，在染色
体上产生两个切口。当两个切口在同一条染色体上
时，修复时将有可能删除切口间的片段 ；也可能该
片段反转后再修复，则产生该片段染色体的倒位。
当两个切口不在同一染色体上，则有可能产生染色
体的易位。例如，用 ZFNs 对拟南芥两条染色体上 3
个基因簇分别进行了片段删除，删除长度可高达 55
kb，效率在 1% 左右 ；实验中也观察到了染色体片
段倒位及重复的发生［39］。染色体重排（chromosomal
rearrangement）为研究复杂基因的功能、长链非编码
RNA、基因调控序列及基因簇的功能等提供了重要
手段，也为在染色体水平上改造植物提供了可能。
2.3 点突变，基因置换及基因定点插入
虽然基因敲除是研究基因功能的重要手段，但
有些基因的敲除是致死的。同时，一些重要的植物
性状是由基因点突变引起的。所以，利用基因组编
辑进行点突变和基因置换（gene replacement）成为
科学家追求的目标。基因组编辑进行点突变和基因
置换通常是利用细胞修复双链断裂的同源重组（HR）
2015,31(4) 29程曦等：基因组编辑：植物生物技术的机遇与挑战
机制来完成，除序列特异性核酸酶外，还需要加入
与切口两侧序列同源的供体 DNA 分子作为模板，使
得供体 DNA 与双链断裂处的序列发生同源重组，
从而特异地改变一个基因的序列或置换掉内源序
列［40］。植物中，利用基因组编辑技术进行点突变和
基因置换只是原生质体中获得了成功［30，41，42］，在
植株水平上还未见报道，这可能由于 NHEJ 是 DNA
断裂的主导修复途径，而 HR 只发生在特定的细胞
周期和类型中。因此，科学家们尝试能否利用 NHEJ
修复方式实现目标基因的点突变和置换。Weinthal
等［43］在拟南芥和烟草中通过 NHEJ 修复方式实现
了基因替换。但因为 NHEJ 修复是易错的，做到精
确的基因替换还需要后续的研究来不断完善。相对
而言，基因的定点插入效率比较高，已在多种植
物中实现，并且这种定点插入可稳定遗传到下一
代［21，27，44，45］。如在玉米中，利用 ZFN 把抗除草剂
基因 PAT 定点插入到编码肌醇 -1，3，4，5，6-戊
基磷酸酶的 IPK1 基因中，最终得到抗除草剂且植
酸含量降低的玉米，定点插入的效率高达 10%［21］。
Wang 等［27］用 TALEN 在小麦原生质体中通过 NHEJ
修复途径将报告基因 GFP 插入 TaMLO 基因位点，
插入效率达 6.5% ；同时在小麦转基因植株中也分别
以 1.4% 和 2.6% 的效率将 His-tag 和 Myc-tag 整合在
TaMLO 位点，插入片段可稳定遗传到下一代。
2.4 基因组编辑系统的改造及新应用
随着基因组编辑技术的不断发展和应用，基
于序列特异性核酸酶（Sequence-specific nucleases，
SSNs），特别是 Cas9 的一些新的衍生技术被开发（图
1）。这些衍生技术主要是将不同蛋白功能与 SSN 的
DNA 结合特异性相融合，从而达到对特定 DNA 序
列的修饰、分离和观察的目的。例如，将不具有核
酸剪切活性的 dCas9（dead Cas9）与负责转录激活、
转录抑制、表观调控和荧光表达等蛋白相融合，可
以实现对靶基因的转录水平及表观遗传的调控，或
对基因组特定位座（loci）进行荧光成像和实时观察。
这些基因组编辑衍生技术为植物研究及生物技术提
供了更多的技术手段。其中，基于序列特异性核酸
酶的转录调控及表观修饰（图 1-C，D，E）已有报
道［46，47，48］。虽然目前靶基因组位座动态荧光观察
（图 1-F）、靶位点染色质的纯化（图 1-G）还未在植
物中实现，但为基因组编辑在植物生物技术领域的
应用提供了新的方向。在动物细胞系中利用 CRISPR
进行全基因组水平的基因功能筛选已经成熟。而植
物中，由于缺乏合适的培养细胞功能检测体系和高
通量的转化体系及表型鉴定系统，利用 sgRNA 文库
对植物进行全基因组功能筛选（图 1-H）也尚待建立。
3 基因组编辑给植物生物技术带来的机遇与
挑战
随着 1983 年世界首例转基因植物——烟草的
问世，以转基因为核心的植物生物技术对植物功能
基因组研究及农作物品种改良等方面做出了重大贡
献。转基因操作通常在植物中引入外源性基因，且
转基因在植物基因组中插入是随机的，虽然至今为
止，没有证据证明转基因植物是有生物安全性问题，
但还是引起公众普遍的关注。美国和欧盟对转基因
植物的上市也有非常严格的要求。据统计，在欧盟
一个转基因植物从研发到商业化上市大约需要花费
1 000 万欧元。因此，目前只有大的跨国企业有能力
进行转基因植物的商业化研发［49］。如前所述，基因
组编辑获得的植物材料与自然突变或物理、化学诱
变的机理一样，在基因组中也只有部分碱基的添加、
缺失或替换，因此，分子检测无法分辨基因组编辑
获得的植物突变体与常规突变体。另一方面，因为
基因组编辑是对目标基因的定向修饰，这样就不需
要常规育种所必需的大规模的分离后代的基因型和
表型筛选，大大节约了时间和成本。所以，基因组
编辑技术的出现为植物生物技术及作物分子育种提
供了前所未有的机遇。同时，基因组编辑与其它先
进生物技术结合也可以产生很多意想不到的巨大突
破。基因组编辑迅猛发展的势头及其迅速广泛的应
用也预示着它将如分子克隆、PCR 一样在不远的未
来改变植物学研究和植物生物技术的现状。我国应
继续保持在该领域的领先地位，促进我国生物产业
的发展。
任何新技术的出现都是机遇与挑战并存，基因
组编辑的应用也面临着技术优化和政策法规两个层
面的挑战。如何提高植物基因组定向修饰的效率及
避免脱靶效应成为基因组编辑在产业化应用中亟需
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.430
解决的关键问题。表达系统与转化方式直接影响对
不同植物的定点修饰效率［50］；基因组编辑元件在细
胞中的表达水平、目标序列在基因组中的位置和细
胞生长的生理阶段都对基因定点修饰效率有很重要
的影响 ；研究者需要根据不同的要求找到最适合于
目标植物定点修饰的表达系统及转化手段。基因组
编辑在植物中可能产生一定的脱靶效应，脱靶突变
的产生可能对基因组编辑在农业中的应用产生严重
影响［51］。目前，可以通过靶位点选择、优化 FokI
切割结构域、改造 sgRNA 和优化核酸酶的表达水平
等方式来减少脱靶效应［52-55］，但在植物中还需要更
加深入系统的研究来解决这些问题。
国际上对基因组编辑产生的植物新品种的监管
标准存在争议 ：美国的农业监管部门认为由细胞自
我修复机制产生的突变植物不属于转基因［56］，因
此，如果不是通过植物病原，如农杆菌等介导的基
因组编辑植物不被定义为转基因生物（genetically
modified organism，GMO）。目前，至少两种基因组
编辑的植物产品获得了美国农业部的批准，一个是
植酸含量低的玉米品种，另一个是抗除草剂的油菜
品种。加拿大也批准了基因组编辑的抗除草剂油菜
的商业化［57］。与此相反，欧盟委员会规定非自然方
A B
D E
F G
H
CmCas9Cas9 Epigenetic modifier
Histone
GFP
ActivatorRepressor
dCas9
dCas9
dCas9
Antibody
Epitope tag
dCas9
gRNA plasmid library Phenotype screening
dCas9
A ：野生型 Cas9 和 sgRNA 共表达时在基因组特定位点产生 DNA 双链断裂 ；B ：Cas9 突变成“切口酶”形式后在基因
组特定位点产生 DNA 单链断裂（切口）；C ：不具有核酸剪切活性的 dCas9 蛋白与表观遗传修饰蛋白融合可实现基因
靶向表观遗传修饰 ；D ：dCas9 蛋白与转录抑制子融合定向抑制靶基因表达 ；E ：dCas9 蛋白与转录激活子融合定向激
活靶基因的转录 ；F ：dCas9 蛋白与荧光蛋白相融合可在活体细胞中对基因组位特定座动态进行荧光动态实时观察 ；G ：
dCas9 蛋白与标签蛋白融合能被用于靶位点染色质的纯化 ；H ：利用 sgRNA 文库对植物进行全基因组功能筛选
图 1 CRISPR/Cas9 系统不同应用示例
2015,31(4) 31程曦等：基因组编辑：植物生物技术的机遇与挑战
式产生的基因修饰就是 GMO，但是他们同时认为物
理和化学诱变获得植物突变体不在这个范围内。然
而基因组编辑植物与物理和化学诱变获得植物无法
区分，因此，欧盟委员会面临一个两难的境地，对
基因组编辑植物的监管标准存在不确定性［49］。但
最近，欧盟委员会也倾向基因组编辑植物不被定义
为 GMO。而在我国，目前还没有监管基因组编辑植
物的相关政策法规出台。放眼未来，基因组编辑技
术能使我们对植物基因组特定位点进行精准、高效
的改造，其在作物改良育种中的优势是无可比拟的。
因此，国家需要制定出合理的监管制度来积极规范
和推动基因组编辑植物新品种的研发。同时，研究
人员和监管机构也应该帮助和促进公众对新技术的
理解，从而提高社会认可度。
参 考 文 献
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