突破技术
能够便宜、 精确地编辑植物基因组，不留下外源 DNA 。
重要意义
提高农业生产率，以满足日益增长的人口的需要。到2050年世界人口预计将达到 100 亿。
基因工程作物的主要研究者
-塞恩斯伯里实验室（Sainsbury Laboratory ），约翰·英纳斯中心（John Innes Centre），诺威治，英国
-首尔国立大学，韩国
-明尼苏达大学，美国
-遗传与发育生物学研究所，北京
源自细菌的基因编辑工具CRISPR有着能改变基因的能力，2013年以来这项技术已相继成功运用于人类胚胎细胞、小鼠、斑马鱼、蘑菇以及拟南芥等物种中。在植物中的应用前景也应该是一片大好，我们利用精确基因编辑工具CRISPR改变植物的基因，使它们具有抗旱或耐寒的特性，甚至还有可能改变主要农作物的产量，解决粮食问题。中国的一个实验室已经用它来创建抗真菌的小麦；中国的几个小组还将此技术用于水稻，以努力提高产量。英国的一个小组用它来调整大麦的一种支配种子发芽的基因，它有助于产生抗干旱的变种。由于简单易行，得到的植物能省去转基因作物涉及的冗长而昂贵的法规审查过程，这种技术越来越多地被那些不愿意采用传统转基因工程的研究实验室、小公司和大众植物育种者所采用。凭借可以精确修改植物靶细胞基因的能力，精确编辑植物基因入选《麻省理工科技评论》评选的2016年度10大突破技术。
撰文:大卫·塔尔伯特（David Talbot）、杨一鸣
2050年世界人口预计将达到 100 亿。为了满足日益增长的人口的需要，农业生产率也必须跟上人口增长的脚步。而多产、抗寒和抗旱的农作物自然是我们最想也最需要的东西。一种名为CRISPR的技术提供了一种方便、 精确的基因编辑方法，使植物具备上述特点，并且能够便宜、 精确地编辑植物基因组，不留下外源 DNA 。
何谓CRISPR？
CRISPR技术的全称是“Clustered regularly interspaced short palindromic repeats”，最早在微生物细菌中发现。这其实是一套完整的基因编辑系统，是细菌在和病毒斗争中演化出来的免疫武器［1］ 。病毒在侵入细菌以后，会将自己的DNA片段整合到细菌中，然后利用细菌并在细菌体内大量增殖，最后得到很多病毒。而CRISPR正是细菌对抗病毒的基因清除系统，利用这个系统，细菌就能将病毒带来的外来基因清除，将它们从自己的染色体上切除，这是细菌特有的免疫系统。你无法想象这套系统是如何进化出现的，也无法想象这一漫长的进化过程有多长，唯一知道的是这套系统是大自然的鬼斧神工。
CRISPR具有精确修改基因的能力，因此也入选了“《麻省理工科技评论》2014年10大突破技术”，世界上的科学家们用它来改造各式各样的基因。举个例子：云南灵长类动物生物医学研究重点实验室的研究人员利用CRISPR“制造”出了一对双胞胎恒河猴。研究人员为这对恒河猴定向修改了三处基因，体外受精之后，由代孕的猕猴孕育出生。而不久前炒得火热的基因编辑蘑菇也是CRISPR成功的案例。这种蘑菇由CRISPR–Cas9系统编辑基因后制成，其开发者宾夕法尼亚大学的科学家杨亦农将蘑菇中的一个基因切除，使得它们不会轻易在空气中放置时变成棕色。与基因工程不同的是，这种蘑菇没有外源DNA残留，不会像一般的转基因产物一样受到大家的质疑。因此，它没有受到美国农业部(US Department of Agriculture)的管制，已经投入大批量的种植和销售。这种新型的CRISPR–Cas9基因编辑蘑菇成为首个得到美国政府许可的CRISPR编辑的有机体。这也意味着经CRISPR改造的产品是十分安全的，蕴藏着极大的市场价值。
植物大改造
CRISPR在植物中的应用与CRISPR–Cas9基因编辑的蘑菇类似，也能精确地编辑它们的基因，并且不留下外源DNA，不会被列入现有限制转基因作物法规的监管名册，这将大大消除消费者对这类转基因作物的疑虑。
中国的一个实验室已经用它来创建抗真菌的小麦；中国的几个小组还将此技术用于水稻，以努力提高产量。英国的一个小组用它来调整大麦的一种支配种子发芽的基因，它有助于产生抗干旱的变种。由于简单易行，得到的植物能省去转基因作物所涉及的冗长而昂贵的法规审查过程，因此这种技术越来越多地被那些不愿意采用传统转基因工程的研究实验室、 小公司和大众植物育种者所采用。
索菲·卡门（Sophien Kamoun）说：“基因编辑技术对于科学家们追踪破坏庄稼的不断演变的微生物至关重要” 。他领导英国诺威治的塞恩斯伯里实验室（Sainsbury Lab）的一个研究小组，将此技术用于马铃薯、 西红柿和其他作物，以对抗真菌疾病。“走完法规审查过程需要数百万美元和几年的工作，”卡门说，“而病原体可不会坐着等你，它们时刻在演进和变化。”
他参与开发的CRISPR版本为约翰·英纳斯中心（John Innes Centre）最近对大麦和花椰菜类作物的工作铺平了道路。约翰·英纳斯中心与他领导的实验室同属诺威治的植物科学研究中心。卡门和他的同事证明了某些基因编辑过的植物的第二代不包含曾用于创建第一代的外源DNA（ CRISPR 不需要插入外源基因，它通常用少量细菌遗传物质作为编辑目标）。与此同时，韩国首尔国立大学一个研究组避免了在第一代植物里遗留外源基因物质。
未来展望
如今在CRISPR应用领域，大大小小的公司都蜂拥而入：杜邦先锋（DuPont Pioneer）已投资Caribou Biosciences公司，这是CRISPR技术发明者之一杰妮芙·窦德娜（Jennifer Doudna）联合创办的创业公司，正将CRISPR用于对玉米、 大豆、 小麦和大米的实验。该公司希望在5年内就出售用CRISPR 技术选育的种子。
最大的问题是，CRISPR 作物是否将授予转基因作物同样的法规监管。过去五年内，只有30种转基因生物避开了美国农业部系统的监管。美国农业部已经说过，有几例基因编辑的玉米、 马铃薯和大豆不在此列，它们也采用了基因编辑手段，比如锌指核酸酶（ZFN）和转录激活子样的效应核酸酶（TALEN）系统等。有关CRISPR技术的产品，CRISPR–Cas9基因编辑的蘑菇也仅仅是第一例。CRISPR基因编辑的农作物产品也需要通过美国农业部的肯定才能真正实现其价值。但美国和限制更严的欧盟现正根据当今的法规对CRISPR产品进行评估，而中国当局没有说他们是否会允许作物种植。
蒙大拿州立大学生物化学家布雷克·威登贺福特（Blake Wiedenhef）是CRISPR技术最早的研究者之一，他表示：“我还没有发现在哪个领域内，有哪种技术能够像CRISPR技术这样发展得如此迅猛。”如他所言，CRISPR技术在植物基因编辑方面的发展也是十分有希望的。从2016年年初开始算，有数篇发表在顶级期刊上的文章报道了CRISPR技术在植物中的成功应用，其中同时发表在《Nature Biotechnology》上的三篇论文就报道了来自英国、澳大利亚、巴西以及美国研究团队利用CRISPR针对小麦秆锈病［2］ 、马铃薯晚疫病［3］ 及大豆锈菌病［4］ 所做出的研究成果。这分别都是对小麦、马铃薯以及大豆的产量造成极大影响的植物疾病，而这些疾病的病菌也实时在进化，之前的抗病植株往往不能抵抗新变异之后的病菌。这三篇文章分别向我们展示了经CRISPR基因编辑之后的新型抗病植株，它们对自己的“天敌”的抵抗率达到了新的高度，持久地提供稳定的产量。
现在越来越反常的气候以及植物疾病对粮食作物的产量已经产生了极大的影响。据估计，植物病原体导致全球作物损失大约15%，而且一些病原体甚至能够导致全部作物绝收。尽管使用农业化学药品和抗病性作物品种能够控制作物的疾病，但是病原体群体快速适应了这些措施。而CRISPR技术能从植物本身出发，改变植物对这些疾病的抵抗能力，并且不残留外源DNA，这也意味着它不会像常规基因工程技术那样，有可能改变作物周围的生态。
专家点评
姚正昌
前湖南省农业技术推广总站站长，湖南农业大学客座教授
为“保证所有人在任何时候都能得到为了生存和健康所需要的足够食品”(联合国粮农组织对粮食安全的定义)，科学家们一直在努力探索提高单位面积粮食产量的方法，其中20世纪50年代、70年代的两次绿色革命(高秆变矮秆、常规变杂交)，使水稻等农作物的产量大幅度增加，基本上解决了不断增长的人口口粮问题。
进入21世纪以来，受人口增长、人均消费水平提高、城乡人口结构变化等因素的影响，全世界的粮食消费需求呈刚性增长态势。但随着工业化、城镇化规模的扩大，大量耕地被占用，导致耕地面积逐渐减少。如果农业技术特别是生物技术不出现大的突破，日趋减少的耕地将承载不了日益增长的人口对食物的刚性需求。这就要求我们在千方百计保护耕地数量、提高耕地质量的同时，利用现代最先进的科学技术，研究探索提高粮食产量的办法。而通过生物工程技术提高粮食作物的光合作用效益，是一个最直接、最有效的方式。
感谢造物主的伟大，赐予我们一个丰富多彩的神奇世界。在这个神奇世界里，种类繁多、差异显著的各类生物，既互相依存，又互相竞争，为各自种群的生存繁衍修练十八般武艺。经过千万年的进化，有不少植物、藻类等练出了高强的内功，在利用太阳光、水、大气等方面的本领较一般物种强大。这些物种的存在，给科学家们提供了更多的研究对象，以搞清楚它们利用太阳光、水、大气的机理，再借助现代生物技术，就有可能改造粮食作物的生物结构，提高它们的光合作用效益，从而提高粮食产量。实际上，从20世纪80年代以来，许多科学家就取得了比较突出的成绩，如湖南农业大学的科学家们在80年代末利用玉米基因培育的遗传工程稻，在同等条件下，产量比当时的主栽水稻品种有大幅度增长。可惜的是在基础理论还有没完全弄清、水稻的高产性能还有没完全稳定时，急于商业开，发盲目投入大田生产，又遇到极端气候，导致大面减产或绝收，不得不中止了研究。
随着人口的不断增长和可利用资源的日趋减少，利用C4植物等高效光合作用植物资源改造现有的粮食作物，提高粮食作物的产量，对确保人类的粮食安全具有十分重要的意义，也应该是今后的主要发展方向，其对人类的贡献应该媲美甚至超过20世纪的两次绿色革命。可喜的是，无论是基础理论研究还是实际生产，科学家们的努力已经取得了明显的成果，为今后拓展研究范围和用于大面积生产奠定了良好的基础。
随着基因编辑等生物技术的不断进步，利用高效光合作用的植物、藻类的基因改造粮食作物，提高粮食作物的光合作用效益，将变得越来越容易。但应该引起注意的是:一是这类研究必须是公益性的，其基础理论研究(包括高效光合作用植物、藻类等的普查)应该得到各国政府和联合国粮农组织等国际组织的无偿财政支持;二是这项技术不能滥用，只能限于与人类有关的粮食、经济作物，一旦失控，很有可能培育出生态杀手，酿成生态灾害，危害人类的生产生活环境。