2025年5月28日，英国洛桑研究所（Rothamsted Research） Christophe Lambing团队于Plant Communications 在线发表了题为Integrating genome editing with omics, artificial intelligence and advanced farming technologies to increase crop productivity的综述文章。本综述概述了作物生产面临的当前挑战，探讨了传统作物育种的局限性与前景，并阐述了基因组编辑技术如何克服产量停滞问题。此外，还评估了当前作物基因组编辑的相关法规，并就如何将基因组编辑与其他先进技术整合以优化整个作物生产流程、突破产量停滞困境提出了策略见解。
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研究背景
20世纪的绿色革命使农业生产力大幅提升，但目前全球部分地区出现作物产量停滞现象。传统育种方式周期漫长，难以满足快速变化的环境和人口增长需求，同时，农药、化肥的大量使用以及单一种植模式带来了环境污染、病虫害加剧等诸多问题，严重威胁粮食生产系统和环境，亟待新的技术来应对这些挑战。
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研究内容
2.1 基因组编辑技术的发展
基因组编辑技术自20世纪初以来不断发展，从早期的诱变育种到TILLING技术，再到基于核酸酶的靶向突变系统（如ZFNs、TALENs）和革命性的CRISPR-Cas系统，为植物育种提供了越来越精准和高效的工具。近年来，碱基编辑、Prime编辑、线粒体与叶绿体基因组编辑以及表观基因组编辑等新技术的出现，进一步拓展了基因组编辑的应用范围，为改良作物性状、提高产量和增强抗性提供了更多可能性，推动了农业生物技术的快速发展。
图1 农作物遗传改良关键里程碑的时间线
2.2 技术应用面临的瓶颈及解决方法
尽管CRISPR-Cas9基因组编辑技术在农业领域具有巨大潜力，但其在作物育种中的应用仍面临基因编辑试剂传递效率低、植物再生困难等瓶颈。目前，通过农杆菌介导的转化、原生质体瞬时表达、RNA病毒介导的转化、纳米颗粒和PEG介导的传递等多种方法尝试解决这些问题，但这些方法仍存在效率低、细胞损伤、物种特异性等限制。为提高转化效率和再生能力，研究者们设计了包含发育调节基因（DRs）的T-DNA载体以促进植物再生，但其组成型表达可能带来负面效应。作为替代，GRF4-GIF嵌合体的表达被证明可以有效提高植物再生效率，且与CRISPR-Cas9共传递时可产生具有生育能力的编辑植株。此外，将基因组编辑技术与快速育种系统结合，如ExpressEDIT方法，通过直接将Cas9和sgRNA应用于植物并快速筛选出不含Cas9但携带新性状的植株，也为解决再生瓶颈提供了新思路。
图2 扩展的基因组编辑途径
2.3 全球政策现状
全球对基因编辑作物的政策差异大，多数国家对转基因生物有限制。但目前，越来越多国家开始重新审视并调整政策，部分国家已将基因编辑作物排除在原有转基因法规之外，采用更灵活的监管方式。
2.4 多技术融合策略
将基因组学与表型组学相结合，利用多组学和环境数据识别基因和调控途径，结合长读长DNA测序、植物表型组学平台和AI 技术，为作物改良提供支持。同时，利用机器人技术和人工智能实现精准农业，通过实时监测和智能决策，优化资源利用，提高作物产量和质量。
图3 基因编辑与先进技术相结合，提高作物产量
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未来展望
基因组编辑技术在作物育种中具有巨大潜力，未来应将其与其他创新技术深度融合，加强生物技术、农学、工程学等多领域的合作，有效解决现代农业问题。随着法规政策的不断完善和技术的持续进步，基因组编辑技术有望在应对全球产量停滞、保障粮食安全和提高作物气候适应性等方面发挥重要作用。