到2050年，全球人口预计将从73亿增加到97亿。与此同时，气候变化导致的干旱和虫害也会给农作物带来危害。因此，迫切需要满足不断增长的粮食需求、应对不断变化的气候条件。基因编辑技术，比如CRISPR/Cas系统（clustered regularly interspaced short palindromic repeat/ CRISPR-associated protein），有望迎接挑战，但前提是基因编辑技术的精度能够有所提高，而且该技术可以被监管机构批准，被生产者和消费者接受。
1981年至2000年间，亚洲和拉丁美洲通过传统植物育种方法改良了水稻、玉米和小麦品种，将粮食产量提高了22%～46%。然而，为了满足2050年不断增长的需求，相比于2005年的产量水平，全球农作物的产量需提高100%～110%。同时，气候改变预计会降低区域作物产量，特别是小麦和玉米。在半干旱的发展中国家（如巴西和阿根廷），到2030年主要作物产量的下降率可能会高达30%；而在撒哈拉以南的非洲，产量可能会下降22%；在南非和津巴布韦，损失将会超过30%。
传统植物育种是基于杂交种质（crossing germplasm），然后选择具有优良性状的个体。虽然这种方法非常成功，但耗时，可能需要10多年时间。在某些情况下甚至可能需要花几十年的时间才能研发出改良品种。基因工具可以提高选择效率，但育种仍然是艰苦的，须对现有多样性进行筛选。鉴于人类面临的粮食安全问题，科学家正在转向基因编辑的方法，如CRISPR / Cas。基因编辑的方法与传统方法和早期的转基因方法相比，其优点是成本低、易于使用、转基因不会永久导入到作物种质资源。基因编辑能够迅速将其野生型性状进行特征叠加并在基因网络进行编辑，目的是改善其数量性状，如耐旱性和产量。
多重化尤其适用于小麦（具有超过两组染色体）等多倍体作物，因为它允许同时编辑多个基因拷贝。此外，主要作物可能已经进行了许多简单性状改良（涉及少量基因），因此为了进一步提高全球产量，需要采用性状叠加（trait stacking）技术，以及对基因网络进行更加复杂的修饰。基因编辑的低成本和易用性也可促进粮食作物（如木薯）的改良，撒哈拉以南非洲和拉丁美洲的产量可能会因此大幅提高。
CRISPR / Cas系统由向导RNA（包含一个靶序列，通常为20个核苷酸）和Cas核酸酶（如常用的Cas9）组成，该核酸酶可在靶位点切割双链DNA。CRISPR/Cas几乎可在任何生物体的任一基因位点诱导突变，就像文字处理软件（如Microsoft Word）中的查找和替换工具一样。DNA修复错误会导致靶位点核苷酸的插入和/或缺失，而通过提供模板DNA则可实现特异性插入。对于植物育种来说，科学家可以不拘泥于现有的变异，也无需在大型种群中选择等位基因的有利组合，而只需编辑优良品种的基因组就能在一代内产生新品种。然而，与传统育种不同，靶向基因编辑技术需要明确靶标的核苷酸序列和功能，以实现向导RNA的设计并预测编辑结果。
提高作物的抗虫能力可以迅速提高粮食产量，尤其是在杀虫剂使用率偏低且虫害可导致产量降低平均超过50%的东非和西非地区。目前，在实验室条件下，科学家已通过CRISPR / Cas技术破坏了两个SWEET基因的启动子，从而增强了水稻白叶枯病的抗性。之后，在另一项基于实验室的研究中，研究人员采用类似的方法破坏了易感基因MLO-A1，来增强小麦的白粉病抗性。破坏所有三种MLO基因实现了白粉病的广谱抗性，这凸显出多重基因编辑技术在多倍体作物中的强大功能。
全球超过70%的农业生产依赖于雨水，由于气候变化导致的降水模式改变也可能导致大幅减产。针对这一挑战，研究人员最近通过编辑既往未确认的启动子来增加ARGOS8基因的表达，目的是增强玉米的耐旱性。ARGOS8基因下调生长抑制激素乙烯，从而提高干旱威胁下植物的生长和产量。对于番茄，可以通过使用CRISPR/Cas破坏开花抑制基因SP5G来控制开花时间，产生早实番茄。田间试验显示，基因编辑的植物比对照组植物早2周收获。通过改变植物发育的关键窗口期，开花时间提前可能有助于农作物适应变化的气候模式。虽然这些基因编辑的植物已经进行了田间试验，但尚未商业化。基因编辑还可以对复杂性状（如光合作用效率）和产量相关性状（如种子重量和数量）进行精密的基因工程改造。
然而，通过基因编辑改良作物的进展受到了技术和社会政治制约因素的限制。尽管有丰富的可用于主要作物的基因组数据，但研究人员尚未广泛地将基因型与表型信息进行匹配、模拟基因网络的行为及表征调控元件，也未开发出数据库来整合和分析这些信息。因此，编辑哪些基因来改良作物仍是一大限制和挑战。当靶基因已明确时，可以通过双链DNA裂解和易于出错的DNA修复途径来诱导突变、敲除基因。尽管这种破坏基因的方式很直接，但要想改变特异的DNA序列则非常具有挑战性，因为DNA模板必须被送到细胞中，并用效率不高的无误修复途径进行整合。增加DNA模板的数量或是提高无误修复系统的浓度可能有助于克服这一限制。
此外，基因编辑的DNA靶点特异性仍存在争议，评估作物中意外脱靶（off-target）的频率并未得出确定的结论。因为许多作物是多倍体并含有高水平的重复DNA，所以脱靶编辑的潜在数量高于动物。减少脱靶编辑可以通过下面两种方法进行：一种是使用靶点特异性增加的变异型Cas酶；另一种是通过递送Cas和向导RNA形成的核糖核蛋白复合物，该复合物未整合到基因组中并在基因编辑后迅速降解。对于有性繁殖作物，也可通过个体与亲本进行杂交来消除脱靶编辑。
基因编辑的农作物也面临社会政治挑战，包括政府监管、公众接受度以及小农户等生产者的采用情况。虽然在许多国家转基因生物（genetically modified organisms，GMOs）受到广泛监管，但是在美国，使用CRISPR/Cas编辑的生物体（没有永久导入转基因）目前尚未受到监管。在欧盟，基因编辑作物的合法性仍颇具争议，并且在2018年之前都不太可能做出关于其监管的决定。如果监管机构将基因编辑的作物评价为不含转基因并作为非转基因生物（non-GMOs），那么对于种子公司来说，商业化将更容易，并且可以针对更多性状和更多物种进行编辑。
然而，发展基因编辑的作物也需要公众接受，并避免公众像以前对待转基因作物一样进行抵制。为了促进基因编辑作物的发展，迫切需要解答这类作物的监管问题，此外，公开辩论也可以提升公众对这些作物安全性和有益性的信心。特别是在发展中国家，通过协调努力，向小农户提供改良品种并加快其采用，这些对提高粮食安全来说都是至关重要的。
（作者：马驰)
参考文献：Science 2017;355:1122-1123