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世界农化网中文网报道： 基因组编辑技术，尤其是 CRISPR 技术，近年来成为生命科学领域的一个重大突破。这类技术能够精准地对目标基因进行定点修饰，实现对特定基因片段或少数几个碱基的插入、删除或替换。与传统的转基因技术相比，基因编辑技术在不引入外源基因的情况下，能够高效、低成本地编辑多种基因，特别是对内源基因进行精确修改，从而改变基因的分子功能，并在生物体中实现特定性状。
基因编辑技术的发展历程中，先后经历锌指核酸酶（ZFN）、类转录激活因子效应核酸酶（TALEN）等技术阶段，但最为广泛应用和研究的仍是 CRISPR 技术。自 2012 年诞生以来，CRISPR基因编辑技术迅速发展，成为 21 世纪生命科学领域最受关注的突破之一，并于 2020 年获得诺贝尔化学奖，进一步巩固其在科学界的重要地位。此外，CRISPR 技术也被《自然》杂志评选为近十年最具影响力的科学事件之一，每年都有大量相关研究论文发表，持续吸引全球的关注。
科研进展
基因组编辑工具 CRISPR 自问世仅 12 年，便在植物和动物农业领域得到广泛应用。其用途涵盖多个方面，包括减少食品浪费、帮助作物和牲畜适应气候变化、培育天然抗杂草的植物、提升作物收获效率，以及在食品、生物燃料和造纸等领域的应用。同时，研究人员每年都在不断优化 CRISPR 工具，以适应更多物种和更广泛的用途。
基因编辑技术的持续发展与创新
当前，基因编辑技术正处于持续优化和突破的阶段，主要体现在以下几个方面：
1. 研发新一代基因编辑技术
传统 CRISPR 技术依赖 DNA 双链断裂，而近年来，科学家们开发出多种不依赖 DNA 双链断裂的新型基因编辑工具，如碱基编辑（Base Editing, BE）和先导编辑（Prime Editing,PE）。这些技术在精准度上取得显著进展，但仍存在编辑范围有限、编辑效率低、易用性不足等挑战。为解决这些问题，哈佛大学开发点击编辑（Click Editing, CE）技术，使基因编辑更加精准且具备多功能性。
2. 优化和拓展 CRISPR 核酸酶家族
研究人员不断改进和优化 Cas 核酸酶，以提高基因编辑的效率和特异性。例如，CRISPR-Cas12b、CRISPR-Cas12n、CRISPR-Cas12f1、CRISPR-Cas14a、CRISPR-CasF 和CRISPR-CasΦ 等新型系统，使基因编辑更加灵活。其中，CRISPR-CasΦ 系统的体积仅为 CRISPR-Cas9的一半，能够识别更广泛的 DNA 靶点。此外，科学家首次在真核生物中发现RNA 引导的 DNA 核酸酶 Fanzor，其结构更紧凑，且更易于递送至细胞和组织内，相较于传统的 CRISPR-Cas 系统具有更大的应用潜力。
3. 设计和优化基因编辑递送载体
高效、安全地将 CRISPR 组件递送至目标细胞，是实现精准基因编辑的关键。目前，常见的递送方法包括农杆菌介导递送、原生质体递送和基因枪法，每种方法各具优劣：
农杆菌递送 适用于多种植物，但注入的 DNA 可能随机插入植物基因组，从而导致 CRISPR 工具长期保留，提高脱靶风险。此外，由于 CRISPR 工具的 DNA来自细菌，受体植物会被归类为转基因植物。
原生质体递送 是实验室研究基因组变化的有效手段，但目前仍难以从原生质体成功再生完整植株，因此在实际育种中的应用受到限制。
基因枪法 适用于多种植物，但如果用于递送 DNA，可能导致植物细胞随机插入大量拷贝的 CRISPR 工具DNA，降低编辑效率并增加后续移除难度。
4. 人工智能赋能基因编辑技术
随着计算机技术的快速发展，人工智能（AI）在基因编辑工具的优化方面发挥关键作用。尽管在植物研究中，AI 的应用成果尚不明显，但在动物细胞研究中已有显著突破。例如，博德研究所利用快速局部敏感哈希聚类算法（FLSHclust）发现 188种新型 CRISPR 系统，并对其中 4 种进行深入研究，结果显示其可用于哺乳动物细胞编辑，且脱靶效应低于传统 CRISPRCas9 系统。此外，Profluent 公司推出 OpenCRISPR ™计划，发布全球首个由人工智能生成的开源基因编辑工具——OpenCRISPR-1，并成功实现人类基因组的精准编辑。
基因编辑技术正处于快速演进阶段，从工具优化到递送系统改进，再到人工智能的深度融合，都在推动这一领域不断迈向更高精准度、更强安全性和更广泛适用性的方向。随着研究的持续深入，基因编辑技术将在农业、医药、生物工程等领域释放更大的潜力，为人类社会带来深远影响。
商业进展
基因编辑技术下涵盖多种不同的技术类型，且不同类型的衍生产品在应用上各有不同。目前，国际上较为普遍的做法是将基因编辑产品分为 SDN-1、SDN-2 和 SDN-3 三类，这一分类依据主要是技术特性。
SDN-1 类基因编辑不涉及修复模板，也不引入任何外源基因，主要通过点突变、少量碱基的插入或缺失实现基因修饰；SDN-2 类则通过同源重组修复，导致基因中一个到几个碱基的突变；而 SDN-3 类则引入较长的外源基因片段，对生物体的改动相较前两类更大。
其中，SDN-1 类基因编辑技术，主要用于目标位点的少量碱基插入或缺失，是基因编辑技术早期应用中最常见的形式。通过双链断裂（DSB）和同源末端修复机制，SDN-1 类技术可导致基因功能的丧失。虽然该技术的编辑效果和类型尚未完全确定，但已在多个功能基因的研究中取得应用，如香味品质相关基因BADH2（Betaine aldehyde dehydrogenase）、耐除草剂基因ALS（Acetolactate synthase）、开花时间基因FAF（FANTASTICFOUR）等。
与传统的转基因技术相比，基因编辑技术无需引入外源基因即可有效改善动植物的性状，且涉及的伦理问题较少，这使得其在农业领域具有广阔的应用前景。随着基因编辑技术的发展，许多传统的农业生物企业已经开始涉足基因编辑育种研究，同时也涌现出一些专注于基因编辑技术的生物育种公司。
全球农业基因编辑育种公司概况
目前，全球大多数农业基因编辑育种公司专注于作物领域，旨在通过基因编辑提升作物的生产性能和抗逆性。以下表格（图1）列出国际上具有代表性的 10 家基因编辑商业化企业。在这些企业中，拜耳在收购孟山都后迅速整合原有产业，迅速占据基因编辑育种市场的主导地位。目前，唯一能够与其抗衡的公司是科迪华，该公司通过整合杜邦与陶氏的相关业务，逐步加强在该领域的竞争力。
2024 年，拜耳宣布将与外部合作伙伴共同推进两项蔬菜基因组编辑计划，作为其战略性开放式创新的一部分。首先，拜耳与韩国生物技术公司 G+FLAS 达成协议，共同开发富含维生素D3 的基因编辑番茄品种。维生素 D 缺乏症是全球普遍存在的问题，尤其在阳光有限的地区和冬季尤为严重。
此外，拜耳还与 Pairwise 公司合作，致力于开发基因编辑版的 Preceon 蔬菜品种，目标是吸引全球市场。通过基因编辑，拜耳不仅加速创新进程，也缩短产品的开发周期。值得注意的是，拜耳已经与 Pairwise 签订独家产品许可协议。Pairwise 是一家在食品和农业领域引领基因创新的公司，去年在北美推出首款基于 CRISPR 技术的食品——通过 CRISPR 编辑的绿叶蔬菜混合物，旨在改善风味。作为进一步的商业化步骤，双方将共同推进该产品的开发与大规模销售。
与其他公司不同，Pairwise 的研发方向集中在经济价值较高的作物上，如芥菜、黑莓、树莓和樱桃等，而其他公司主要专注于主粮作物的基因编辑。除了与拜耳的合作，Pairwise 还与科迪华建立良好的合作关系。
2024 年，全球农业技术领导者科迪华与 Pairwise 宣布达成合作，旨在加速为农民提供先进的基因编辑解决方案，帮助应对气候变化等挑战。这一合作的基础是科迪华对 Pairwise 的 2500万美元股权投资，属于科迪华的 Catalyst 平台，专注于推动农业创新。此投资旨在扩展基因编辑的应用范围，特别是在主食和特色作物中。
此外，科迪华和 Pairwise 还成立合资企业，旨在加速和扩大先进基因编辑技术的应用，以应对气候变化带来的挑战，提高农作物的产量。该合资公司将利用两家公司的基因编辑能力，开发和评估多种作物的基因编辑特性，加速基因编辑产品的交付。借助科迪华在植物育种和遗传学领域的长期优势，双方合作开发的产品将能够抵御极端天气事件和气候变化。
除了与 Pairwise 的合作外，科迪华还与 Bejo、Sustainable Oils 和 Vilmorin & Cie 等公司展开合作。然而，科迪华与Inari 的关系却存在争议。2024 年 8 月，科迪华指控 Inari 对其从种子保管处获得的玉米种子进行基因编辑，并寻求美国专利保护其改良性状，侵犯科迪华在美国农业部的植物品种权和相关专利。科迪华称，Inari 购买的种子受材料转让协议的限制，而 Inari 却将这些种子用于商业用途，并进行基因改造，导致双方发生法律纠纷。
Inari 是一家领先的种子技术公司，专注于利用人工智能和基因编辑工具箱推进种子技术创新。该公司最近完成 1.44 亿美元的融资，旨在为长期增长奠定基础。Inari 的首批产品包括大豆、玉米和小麦等大面积作物，并在业内引起广泛关注。该公司致力于设计更具可持续性的种子，为全球粮食安全和农业系统创新提供解决方案。
在基因编辑领域，先正达也采取开源合作模式。作为全球领先的农业科技公司之一，先正达通过其创新合作平台 Shoots by Syngenta，与全球学术界、研究机构和其他实体建立伙伴关系，推动农业可持续发展。先正达还为学术机构和育种公司提供 CRISPR技术授权，旨在加速作物创新和提高农业生产力。
先正达的科学家们不断优化 CRISPR-Cas 技术，以提升其效率和效用。公司通过开放共享技术，支持全球范围内的研究机构和企业，帮助推动作物改良和育种技术的快速发展。Shoots by Syngenta 平台自 2023 年成立以来，汇聚来自世界各地的创新力量，致力于解决粮食安全、气候变化和生物多样性等全球性挑战。
在基因编辑技术的应用上，BASF 也有所布局。除了在 2017 年获得 CRISPR-Cas9 基因编辑技术的许可外，BASF 还于 2020 年与英国生物技术公司 Tropic Biosciences 签署合作协议，利用Tropic Biosciences 的 GEiGS 技术开发战略作物品种，旨在应对可持续发展挑战。然而，目前 BASF 的相关举措较为低调，尚未有更多公开动作。
Cibus 是全球领先的植物基因编辑公司，致力于通过基因编辑技术开发可持续且高产的农作物，以应对全球粮食安全和环境保护的挑战。该公司拥有专有的 Cibus 精准基因编辑技术平台（CPGET），目前正研发一系列基因编辑作物，包括：高油菜籽芥酸含量油菜籽、富含多不饱和脂肪酸的大豆、耐除草剂和抗虫害的玉米、以及耐旱耐热的小麦等。这些创新成果有望提升作物的生产效率，同时减少农业生产对环境的负担。
Benson Hill 成立于 2012 年，总部位于美国圣路易斯。公司融合数据科学、生物学、基因组学、食品科学、人工智能、机器学习和云计算等多种前沿技术，打造全球领先的生物技术平台——CropOS。通过这一平台，Benson Hill 能够利用数亿个基因序列，结合 AI 预测和基因编辑技术，大幅缩短作物育种周期，并加速人类对植物遗传多样性探索的进程。CropOS 平台结合 CRISPR 3.0基因编辑、作物加速器（Crop Accelerator）等技术，形成一套完整的垂直育种体系，从大数据支持的育种库，到精准的基因组合预测，再到高效的基因编辑和作物加速生长，极大地提高育种效率。
Yield10 Bioscience, Inc. 是一家农业生物科学公司，致力于利用先进的遗传学技术，开发以油籽 Camelina sativa（即″Camelina″）为平台的大规模可持续种子产品。这些产品包括可再生柴油和航空生物燃料原料油、用于制药和营养保健品的 omega-3 油（如 EPA和 DHA）、以及未来可能用于可生物降解塑料的 PHA 生物材料。Yield10 的商业模式重点是通过与生物燃料行业合作或授权其先进的Camelina 基因技术，支持合作伙伴生产低碳原料油，以满足日益增长的市场需求。同时，Yield10 也专注于通过自有优质 Camelina 种子品种，推动 omega-3 油在营养领域的应用。
全球农业基因编辑技术正处于快速发展和应用阶段，多个领先公司通过战略合作与技术创新，推动基因编辑技术在作物和动物育种中的广泛应用。拜耳、科迪华、Pairwise 和先正达等企业不断拓展基因编辑技术的应用领域，不仅提升作物的产量和抗逆性，还致力于解决全球粮食安全和环境变化带来的挑战。与此同时，这些公司也积极通过合作与投资，加速基因编辑技术的商业化进程。尽管面临一些法律和伦理挑战，基因编辑技术在农业中的前景依然广阔，将为全球农业可持续发展、食品安全和农业创新提供强有力的技术支持。在未来，随着技术不断进步和多方合作的深化，基因编辑有望成为推动全球农业革新的重要引擎。
中国农业基因编辑的前景
生物育种已成为国家重大战略之一，国家在″十四五″规划和2035年远景目标纲要中明确提出，要有序推进生物育种产业化应用，并支持培育具有国际竞争力的种业龙头企业。当前，国内农业基因编辑领域的企业较为活跃，尤其是在作物基因编辑方面。然而，涉及动物基因编辑育种的企业仍然较为稀少。以下是我国农业基因编辑相关企业的概况，显示农作物基因编辑企业占主导地位，而动物基因编辑育种公司则较为稀缺。
舜丰生物是国内领先的植物基因编辑企业之一，打破国外在基因编辑核心技术上的垄断，拥有自主研发的基因编辑工具CRISPR-Cas SF01 和 CRISPR-Cas SF02，推动植物基因编辑的产业化进程。2023 年 4 月，舜丰生物获得我国首个植物基因编辑安全证书，并在 2024 年先后获得两张植物基因编辑安全证书。特别是在 2024 年 5 月，舜丰生物获得我国首个主粮作物——矮秆玉米的基因编辑生物安全证书。
齐禾生科，成立于 2021 年，是全球领先的基因编辑生物技术企业。公司拥有自主可控的核心知识产权和全球竞争力的技术平台，构建一个全链条的 SEEDIT 研发平台。其研发的 PrimeROOT 等基因编辑工具，绕开现有专利限制，为新一代转基因和基因编辑产品的开发提供强大的技术支撑。齐禾生科凭借其技术实力和创新成果，获得包括 Cell 2023 年度最佳论文和 Nature 2024 年度最值得关注的七大技术之一的国际认可。
艾迪晶依托自主研发的精准育种平台（HiGeMP ™），与科研团队、育种家及种业企业广泛合作，推动基因编辑技术的产业化应用。至今，艾迪晶已为超过 1000 个科研团队和企业提供服务，并成功转化 20 多种作物品种，包括玉米、大豆、水稻等主流农作物，打破传统育种技术的局限。
弥生生物拥有全球领先的花生基因转化平台，通过基因编辑技术培育″超级花生″，这一新型花生品种将大幅提升产量和油料品质，推动花生产业的多元化发展。
百格基因凭借其 CRISPR/Cas9 技术，积累丰富的动植物基因编辑经验，成功为全球 200 多家研究所和课题组提供基因组编辑服务。其高效的基因编辑技术和与国内顶尖实验室的合作，进一步推动基因编辑技术的应用。
这些企业的不断创新和突破，展示我国在基因编辑领域的强大技术实力和发展潜力。随着相关技术的不断成熟，生物育种将在提高农作物产量、改善质量以及推动农业现代化方面发挥越来越重要的作用。
基因组编辑技术，尤其是 CRISPR 的突破性进展，正在重塑生命科学的边界，为农业、医药和生物工程领域带来前所未有的机遇。从精准修饰内源基因到培育抗逆高产作物，从优化递送系统到人工智能赋能工具创新，这一技术的持续演进彰显其高效性与多功能性。全球范围内，拜耳、科迪华、先正达等企业通过战略合作与技术创新，加速基因编辑的商业化进程，而中国企业的崛起——如舜丰生物、齐禾生科等——更展现我国在打破技术垄断、推动产业化应用中的强大潜力。
随着技术的不断成熟与应用场景的拓展，基因编辑必将成为应对粮食安全、气候变化与可持续发展挑战的核心工具，为人类社会的繁荣与地球生态的平衡书写崭新篇章。
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