DOI: https://doi.org/10.1007/s44307-026-00099-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41712102
تاريخ النشر: 2026-02-19
المؤلف: Jieni Lin وآخرون
الموضوع الرئيسي: كريسبر والهندسة الوراثية
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على المطالب المتطورة في الزراعة الحديثة، مع التأكيد على ضرورة تحسين العائد وجودة المحاصيل ومقاومة الضغوط في آن واحد. تعتبر طرق التربية التقليدية غير كافية لمعالجة هذه المتطلبات المعقدة، مما يؤدي إلى التحول نحو تربية الصفات المتعددة كهدف رئيسي. لقد غير ظهور تحرير الجينوم المتعدد القائم على CRISPR/Cas9 (MGE) على مدار العقد الماضي بشكل كبير تربية المحاصيل من خلال السماح بتجميع فعال وتنظيم دقيق للعديد من الصفات من خلال التحرير المستهدف لمواقع الجينات المختلفة.
تستعرض المراجعة الاستراتيجيات الأساسية وسير العمل المرتبطة بـ CRISPR/Cas-based MGE، كما تناقش تطبيقاته العملية في تعزيز مقاومة المحاصيل للضغوط، وزيادة العائد، وتحسين الجودة. من خلال تلخيص هذه التقدمات، تهدف المراجعة إلى أن تكون مرجعًا نظريًا لتربية المحاصيل وإلهام أساليب جديدة لتحقيق أهداف التربية المتنوعة.
مقدمة
تستعرض مقدمة ورقة البحث التحديات التي تواجهها طرق التربية الهجينة التقليدية في الزراعة الحديثة، لا سيما في سياق تحسين المحاصيل متعددة الصفات. مع زيادة النمو السكاني العالمي وارتفاع مستويات المعيشة التي تتطلب تحسين عائد المحاصيل، وجودة النكهة، والمكونات الغذائية، تصبح قيود التربية التقليدية – مثل الدورات الطويلة (10-15 سنة)، وكفاءة الفحص المنخفضة، ومشكلات الارتباط الجيني – أكثر وضوحًا. تعيق هذه القيود تجميع الصفات المواتية بدقة، مما يجعل من الصعب تحقيق تحسين منسق للصفات المعقدة مثل العائد والجودة ومقاومة الضغوط.
على النقيض من ذلك، يوفر نظام CRISPR/Cas، المعترف به كتقنية تحرير جيني من الجيل الثالث، نهجًا تحويليًا لتحسين الجينات الزراعية. يستخدم هذا النظام RNA دليل فردي (sgRNA) لتوجيه إنزيمات Cas للقطع المحدد للحمض النووي، مما يمكّن من إلغاء الجينات المستهدفة من خلال آليات إصلاح الحمض النووي الخلوية. يعزز تطوير أدوات تحرير الجينوم المتعدد كفاءة ودقة تحرير الجينات، مما يسمح بالتعديل المتزامن لمواقع جينية متعددة ضمن تحويلة واحدة. لا يؤدي هذا التقدم إلى تقصير دورة التربية إلى 2-3 سنوات فحسب، بل يسهل أيضًا التنظيم المنسق لشبكات الجينات المتعددة، مما يتجاوز قيود التربية التقليدية ويعزز نهجًا مدفوعًا بالتصميم لتحسين المحاصيل. تشمل أمثلة التطبيقات الناجحة التحرير المتزامن لعدة جينات لتحسين صفات مثل محتوى المواد المسببة للحساسية في القمح والمكونات الغذائية في الطماطم، مما يبرز إمكانيات تحرير الجينوم المتعدد في إحداث ثورة في الممارسات الزراعية.
نقاش
يسلط النقاش حول تقنية تحرير الجينوم المتعدد الضوء على تطورها من تحرير الجين الواحد إلى نهج أكثر تعقيدًا يسمح بالتعديل المتزامن لعدة جينات، مما يعالج التحديات التي تطرحها التكرارية الجينية في المحاصيل. تعتبر هذه التقنية مفيدة بشكل خاص لتعزيز الصفات المتعددة الجينات، كما يتضح من الأمثلة الناجحة مثل الطفرة المتزامنة لثلاثة من نظائر TaMLO في القمح، والتي منحت مقاومة واسعة النطاق للعفن البودري. لقد برز نظام CRISPR/Cas كأداة محورية في التحرير المتعدد، مما يمكّن من استهداف فعال لمواقع متعددة من خلال تصميمات مبتكرة للناقلات، مثل الترتيب المتسلسل لهياكل tRNA-sgRNA، مما يسهل إنتاج عدة sgRNAs من ناقل واحد.
تقوم هذه القسم أيضًا بتصنيف أنظمة التعبير المشترك المختلفة التي تم تطويرها لتحرير الجينوم المتعدد، بما في ذلك وحدة النسخ المتعددة (MCTU)، وحدة النسخ المزدوجة (TCTU)، ونظام وحدة النسخ الفردية (STU)، كل منها بتصميمات هيكلية فريدة وتطبيقات خاصة. يُفضل نظام MCTU للمونوكوت، حيث يسمح بالتحكم الدقيق في كفاءة التحرير، بينما يقدم نظام TCTU نهجًا معياريًا يوازن بين الكفاءة وضيق الناقل. يعد نظام STU مناسبًا بشكل خاص للديكوت، مما يقلل من المخاطر المرتبطة بإعادة تركيب الناقل. يؤكد النقاش على أهمية تحسين هذه الأنظمة لتعزيز كفاءة التحرير وإمكانية تحرير الجينوم المتعدد لتحسين صفات المحاصيل بشكل متكامل، بما في ذلك مقاومة الأمراض، وتحمل الضغوط غير الحيوية، والعائد، والجودة الغذائية، مما يعالج التحديات المعقدة للزراعة الحديثة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s44307-026-00099-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41712102
Publication Date: 2026-02-19
Author(s): Jieni Lin et al.
Primary Topic: CRISPR and Genetic Engineering
Overview
The section provides an overview of the evolving demands in modern agriculture, emphasizing the necessity for simultaneous enhancements in crop yield, quality, and stress resistance. Traditional breeding methods are deemed inadequate for addressing these multifaceted requirements, leading to a shift towards multiple traits breeding as a primary objective. The advent of CRISPR/Cas9-based multiplex genome editing (MGE) over the past decade has significantly transformed crop breeding by allowing for the efficient pyramiding and precise regulation of multiple traits through targeted editing of various gene loci.
The review outlines the fundamental strategies and workflows associated with CRISPR/Cas-based MGE, while also discussing its practical applications in enhancing crop stress resistance, increasing yield, and improving quality. By summarizing these advancements, the review aims to serve as a theoretical reference for crop breeding and inspire new approaches to meet diverse breeding goals.
Introduction
The introduction of the research paper outlines the challenges faced by traditional hybrid breeding methods in modern agriculture, particularly in the context of multi-trait crop improvement. As global population growth and rising living standards demand enhanced crop yields, flavor quality, and nutritional components, the limitations of conventional breeding—such as lengthy cycles (10-15 years), low screening efficiency, and genetic linkage issues—become increasingly apparent. These limitations hinder the precise pyramiding of multiple favorable traits, making it difficult to achieve the coordinated enhancement of complex traits like yield, quality, and stress resistance.
In contrast, the CRISPR/Cas system, recognized as a third-generation gene editing technology, offers a transformative approach to crop genetic improvement. This system utilizes single guide RNA (sgRNA) to direct Cas endonucleases for specific DNA cleavage, enabling targeted gene knockout through cellular DNA repair mechanisms. The development of multiplex genome editing tools enhances the efficiency and precision of gene editing, allowing for the simultaneous modification of multiple gene loci within a single transformation. This advancement not only shortens the breeding cycle to 2-3 years but also facilitates the coordinated regulation of multi-gene networks, thereby overcoming the limitations of traditional breeding and promoting a design-driven approach to crop improvement. Examples of successful applications include the simultaneous editing of multiple genes to optimize traits such as allergen content in wheat and nutritional components in tomatoes, showcasing the potential of multiplex genome editing in revolutionizing agricultural practices.
Discussion
The discussion on multiplex genome editing technology highlights its evolution from single-gene editing to a more sophisticated approach that allows for the simultaneous modification of multiple genes, addressing the challenges posed by genetic redundancy in crops. This technology is particularly advantageous for enhancing polygenic traits, as demonstrated by successful examples such as the simultaneous mutation of three TaMLO homoeoalleles in wheat, which conferred broad-spectrum resistance to powdery mildew. The CRISPR/Cas system has emerged as a pivotal tool in multiplex editing, enabling efficient targeting of multiple loci through innovative vector designs, such as the tandem arrangement of tRNA-sgRNA structures, which facilitates the production of multiple sgRNAs from a single vector.
The section further categorizes the various co-expression systems developed for multiplex genome editing, including the Multi-Transcriptional Unit (MCTU), Twin-Transcriptional Unit (TCTU), and Single Transcriptional Unit (STU) systems, each with unique structural designs and applications. The MCTU system, favored for monocots, allows for precise control over editing efficiency, while the TCTU system offers a modular approach that balances efficiency and vector compactness. The STU system is particularly suitable for dicots, minimizing risks associated with vector recombination. The discussion emphasizes the importance of optimizing these systems to enhance editing efficiency and the potential for multiplex genome editing to synergistically improve crop traits, including disease resistance, abiotic stress tolerance, yield, and nutritional quality, thereby addressing the complex challenges of modern agriculture.