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基因编辑技术在水稻、玉米、大豆和小麦四大主粮中的研究进展及产业化现状

2026-06-15 16:201820

基因编辑技术作为现代生物技术育种的核心突破,正以精准、高效、广谱的优势,打破传统育种周期长、效率低、性状改良难的瓶颈,成为保障全球粮食安全、提升主粮营养品质、应对气候与资源挑战的关键利器。水稻、玉米、小麦、大豆四大主粮作为人类最核心的口粮与蛋白来源,其基因编辑研发与产业化进程,将成为未来农业新质生产力和产业新增长极。


近日,中国农业科学院王友华研究员等在The Crop Journal在线发表题为″Gene‑edited staple crops: Global research and development and industrial prospects″的文章,系统梳理2013–2024年全球四大主粮作物基因编辑的论文、专利数据,全景呈现技术迭代、种质创新、监管审批与产业落地全貌,为基因编辑作物的未来研发与商业化提供参考与行动指南。


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主要发现:

1. 中美领跑,研发格局呈现″学术-产业″错位优势


从2013至2024年的数据来看,全球基因编辑主粮作物的研发已形成中国与美国双核驱动的格局,但二者的优势领域显著不同。


中国:领跑学术研究与种质创新。 在四大主粮(水稻、小麦、玉米、大豆)的论文发表数量上,中国均位居全球第一,尤其在传统优势作物水稻领域优势极为明显,占据了全球88.9% 的发表文章和84.6% 的专利。这得益于水稻作为模式作物便捷的遗传转化体系,以及国内对基础研究的大力投入。中国在多重基因编辑、野生稻de novo驯化、以及自主知识产权工具(如Cas12i/j)的开发上已形成技术壁垒。


美国:主导商业转化与全球专利布局。 美国更侧重于技术的商业化落地。尽管在论文数量上不及中国,但美国企业(如Calyxt)早在2016年就推动了高油酸大豆、抗褐变蘑菇等产品的全球首批上市。在核心专利方面,美国的CRISPR/Cas9基础专利覆盖53个国家,构建了严密的全球知识产权网络。相比之下,中国的专利布局多集中于本土,国际竞争力仍有待提升。


2. 技术迭代加速,从″单点敲除″迈向″多维度精准调控″


文章揭示,基因编辑技术已跨越了简单的基因敲除阶段,进入了以″精准、高效、多元″为特征的3.0时代。


工具革新突破瓶颈: 针对多倍体作物(如小麦)编辑效率低的问题,pCas9T等融合蛋白系统显著提升了编辑效率。同时,PAM识别范围受限的难题被SpRY等变体打破,实现了近乎无PAM约束的编辑。


多基因聚合与精细调控成为现实: 基于tRNA的高效多重编辑系统,使得一次性改良多个性状(如同时提升抗病性与产量)成为可能。更值得关注的是,启动子编辑技术的成熟,为破解″一因多效″基因带来的性状权衡(如高产与高抗难以兼得)提供了优雅的解决方案——通过微调基因表达剂量,而非彻底敲除,实现多个农艺性状的协同优化。


合成生物学融合: 将基因编辑与光合通路改造(如C3/CAM途径整合)、生物固氮等合成生物学策略结合,为从根本上突破作物产量极限开辟了新路径。


3. 产业化进程分化,中国进入监管审批″快车道″,但商业化仍处黎明前


截至2024年底,全球已有6个国家批准了基因编辑主粮作物的商业化应用,但落地节奏差异巨大。


美国与拉美领跑商业化: 美国农业部(USDA)对不引入外源DNA的编辑产品实行宽松监管,推动了高直链淀粉玉米、抗逆大豆等产品的规模化种植。巴西、阿根廷等农业大国也紧随其后,批准了高淀粉玉米等产品。


中国密集颁发安全证书,产业化蓄势待发: 一个标志性转折出现在2023-2024年。中国农业农村部密集颁发了10项农业基因编辑安全证书,涵盖高油酸大豆(>80% 油酸含量,全球首个大豆编辑安全证书)、矮化耐密植玉米、抗白粉病小麦以及低直链淀粉水稻。这标志着中国已扫除基因编辑作物的主要监管障碍。然而,文章也客观指出,目前这些获批产品大多仍处于″获证未下地″的预商业化阶段,距离大规模田间推广和市场渗透,还需打通品种审定、种子生产与渠道销售的″最后一公里″。


4. 营养健康成为核心驱动力,精准解决″隐性饥饿″


除了产量与抗逆,改善人类健康正成为基因编辑育种的核心价值主张。


低致敏与低抗营养因子作物: 通过编辑小麦的α-/γ-醇溶蛋白基因家族,成功培育出低免疫原性的小麦,为乳糜泻患者带来福音。同时,降低大豆中导致胀气的棉子糖和植酸含量的编辑品系也已问世。


营养素富集: 针对全球20亿人面临的″隐性饥饿″,基因编辑展现了无可比拟的优势。例如,通过编辑代谢通路关键基因,成功创制出富含β-胡萝卜素(维生素A原)的″黄金水稻″新种质、富含辅酶Q10的水稻,以及花青素显著富集的红色水稻。


功能性成分优化: 高油酸大豆(油酸含量从~20%提升至>80%)的获批,直接服务于心血管健康。高抗性淀粉(RS)作物的开发,则为糖尿病和肥胖人群提供了更健康的碳水选择。


5. 挑战与展望


尽管前景广阔,文章同时指出了当前面临的挑战:


技术瓶颈犹存: 在多倍体作物中,单基因乃至多基因编辑的通量仍显不足;脱靶效应的长期生态与健康风险评估体系尚不完善。


育种体系深度融合: 基因编辑的真正威力,在于其与双单倍体、雄性不育、无融合生殖等育种技术的深度融合,实现″育种加速器″效应。目前这种系统集成应用才刚刚开始。


全球治理与公众接受度: 各国监管政策的不协调(如欧盟的保守态度与美洲的开放态度形成鲜明对比)阻碍了基因编辑产品的全球流动。同时,如何向公众科学传达编辑作物与转基因作物的本质区别(不引入外源基因),仍是产业化的重大社会课题。


来源: AgroPages (世界农化网)


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