動物基因工程技術(shù)在動物遺傳育種上的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景

宋語涵

北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083

動物遺傳育種是養(yǎng)殖業(yè)中的重要領(lǐng)域，通過選擇和繁殖具有優(yōu)良基因型和表型的動物實現(xiàn)對品種的改良和生產(chǎn)性能的提升。動物基因工程技術(shù)可以通過改變動物基因組中的特定基因來增強動物的抗病能力、適應(yīng)能力和生存能力，從而在動物育種中發(fā)揮重要作用。目前，基因組編輯技術(shù)和基因組學(xué)研究技術(shù)等的突破為動物基因工程技術(shù)的應(yīng)用提供了更多的可能性。了解動物基因工程技術(shù)在動物遺傳育種中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景對于推動動物育種的進(jìn)步和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 動物基因工程技術(shù)

1.1 動物基因工程技術(shù)的定義和原理

動物基因工程技術(shù)是指運用生物技術(shù)手段對動物的基因進(jìn)行修改或操控以達(dá)到特定目的的技術(shù)。它是遺傳學(xué)研究的重要分支，也是現(xiàn)代生物學(xué)和生命科學(xué)的關(guān)鍵領(lǐng)域。動物基因工程技術(shù)的原理是基于對動物基因組的認(rèn)識和理解。動物的基因組由DNA 分子組成，攜帶著動物遺傳信息的編碼?；蚬こ碳夹g(shù)利用DNA 重組、基因編輯和基因傳遞等方法對動物的基因組進(jìn)行改變，從而改變動物的特征和性狀。

1.2 常見的動物基因工程技術(shù)

常見的動物基因工程技術(shù)包括基因敲除、基因敲入、基因編輯和轉(zhuǎn)基因技術(shù)等?；蚯贸且环N將目標(biāo)基因從動物基因組中刪除的技術(shù)。設(shè)計合適的“敲除子”并將其導(dǎo)入動物胚胎細(xì)胞，在適當(dāng)?shù)臈l件下，敲除子會與目標(biāo)基因結(jié)合并取代它，從而使目標(biāo)基因無法正常表達(dá)?；蚯贸夹g(shù)可用于研究目標(biāo)基因的功能和作用機(jī)制?；蚯萌雱t與基因敲除相反，是在動物基因組中插入外源基因的技術(shù)。將外源基因與敲入子融合并利用基因傳遞技術(shù)將敲入子導(dǎo)入動物細(xì)胞中，使其與目標(biāo)基因位點結(jié)合，從而實現(xiàn)特定基因的敲入。基因敲入技術(shù)可用于研究特定基因在動物身上的功能和表達(dá)模式?；蚓庉嫾夹g(shù)是通過針對性地修改動物基因組中的特定位點來實現(xiàn)對基因表達(dá)水平或基因功能的調(diào)節(jié)的。其中，CRISPR-Cas9 技術(shù)是目前最常用的基因編輯技術(shù)。它利用特定的引導(dǎo)RNA（gRNA）將Cas9 核酸酶引導(dǎo)到目標(biāo)基因的位點，然后通過Cas9 核酸酶進(jìn)行精確剪切，使目標(biāo)基因發(fā)生突變或修復(fù)?；蚓庉嫾夹g(shù)可用于特定基因的修飾和功能研究。轉(zhuǎn)基因技術(shù)是將外源基因?qū)肽繕?biāo)動物的基因組并使其在目標(biāo)動物身上表達(dá)的技術(shù)。一般情況下，可以利用載體（例如質(zhì)粒）將目標(biāo)基因?qū)胧荏w動物的早期胚胎或胚胎干細(xì)胞中，進(jìn)行胚胎移植或胚胎干細(xì)胞的轉(zhuǎn)移，最終產(chǎn)生具有外源基因的轉(zhuǎn)基因動物。轉(zhuǎn)基因技術(shù)可用于生產(chǎn)具有特定性狀或功能的動物模型或農(nóng)藝品種。

1.3 動物基因工程的研究進(jìn)展

目前，很多研究者對動物基因工程展開研究。在基因編輯技術(shù)上，李雙喜等（2023）以PRRSV 受體為切入點，綜述豬抗PRRS 育種的研究現(xiàn)狀。文章指出，除了發(fā)揮必要的生理功能外，CD163 分子還可作為PRRSV 感染的受體[1]。王熠晨等（2023）指出，堿基編輯技術(shù)和PE 技術(shù)具有這種潛力，不過堿基編輯技術(shù)還需要克服堿基切除修復(fù)引發(fā)的堿基隨機(jī)插入，PE 技術(shù)則需要解決錯配修復(fù)引發(fā)的錯誤編輯問題[2]。在克隆技術(shù)方面，李兆龍（2021）指出，目前我國對于早期胚胎的發(fā)生和發(fā)育機(jī)制的研究還相對薄弱，對一些基因重組編程的機(jī)制還不夠清楚，但是其作為種質(zhì)資源擴(kuò)繁和異種移植的前景廣闊，這將繼續(xù)激勵更多的投入和研究[3]。在基因驅(qū)動方面，王盼娣等（2021）指出，在雌性小鼠卵子發(fā)育期間激活Cas9，突變基因可達(dá)到72%的遺傳率。這種突變并不會在早期的胚胎發(fā)育時期或雄性精子發(fā)育時期導(dǎo)致同源重組修復(fù)，而是主要通過非同源末端連接修復(fù)方式實現(xiàn)。雖然對于昆蟲而言，這種驅(qū)動的效率并不高，但是這也為利用基因驅(qū)動技術(shù)防治嚙齒類生物入侵提供了寶貴的研究經(jīng)驗[4]。此外，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所豬遺傳育種科技創(chuàng)新團(tuán)隊在豬基因組選配研究方面取得了新的進(jìn)展，他們提出在追求相同預(yù)期遺傳增益的情況下，基因組選配方法相對于其他方法來說在控制近交帶來的增加效果方面明顯優(yōu)越。

2 動物基因工程技術(shù)在動物遺傳育種上的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 基因功能研究

通過對動物基因進(jìn)行精確編輯和調(diào)控，科學(xué)家們可以深入地研究特定基因在生物發(fā)育、生理功能和行為等方面的功能和作用?；蚬δ苎芯靠梢酝ㄟ^基因敲除和基因修飾等手段實現(xiàn)。其中，基因敲除是最常見的方法之一。它能夠使用基因編輯工具精確地切割和刪除目標(biāo)基因的特定區(qū)域，使該基因在動物個體中的表達(dá)缺失。這樣的實驗可以揭示該基因在特定生理過程中的功能和調(diào)控機(jī)制。通過敲除特定基因，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一些關(guān)鍵基因?qū)ε咛グl(fā)育、免疫系統(tǒng)和代謝過程的重要作用。此外，通過修改基因序列、調(diào)控基因的表達(dá)級別或功能改變，基因修飾可以幫助科學(xué)家進(jìn)一步了解基因的功能和調(diào)控機(jī)制。

2.2 基因治療

基因治療能夠通過修復(fù)或替換患有遺傳性疾病的動物個體的基因缺陷來達(dá)到治療和預(yù)防遺傳疾病的目的。首先，動物基因工程技術(shù)有助于治療遺傳性疾病，尤其那些由單基因突變引發(fā)的疾病。通過修復(fù)或替代患病個體中的缺陷基因，可以恢復(fù)基因功能并治療疾病。例如，基因編輯技術(shù)可以用于修復(fù)貓頭鷹視網(wǎng)膜變性等遺傳性視網(wǎng)膜疾病，改善視力。其次，動物基因工程技術(shù)在免疫治療方面也顯示出一定的潛力。通過基因修飾技術(shù)，科學(xué)家可以增強免疫細(xì)胞的活性，并提高其對疾病的識別和攻擊能力。這有助于增強動物免疫系統(tǒng)對感染、癌癥等疾病的免疫能力?？傊?，基因治療作為動物基因工程技術(shù)的一種重要應(yīng)用，為動物遺傳育種提供了新的手段和策略。

2.3 育種改良

育種改良是基于基因修飾技術(shù)而發(fā)展的，科學(xué)家們可以通過精確地調(diào)控動物基因組中的特定基因來改善養(yǎng)殖動物的性狀，提高其經(jīng)濟(jì)價值和適應(yīng)性。首先，通過基因修飾技術(shù)對養(yǎng)殖動物的基因進(jìn)行調(diào)控可以增強其生長速度、肉質(zhì)品質(zhì)、蛋白質(zhì)合成能力等，從而提高養(yǎng)殖動物的生產(chǎn)性能。例如，通過調(diào)節(jié)生長因子和代謝相關(guān)的基因的表達(dá)水平，研究人員可以改善豬、牛等家畜的生長速度和肉質(zhì)品質(zhì)。其次，養(yǎng)殖動物常常受到疾病和感染的威脅，影響其生長和生產(chǎn)性能?；蛐揎椉夹g(shù)可以增強養(yǎng)殖動物的免疫系統(tǒng)和抗病能力，提高其抵抗病原體的能力。例如，通過基因編輯技術(shù)，研究人員可以增強魚類抗病能力相關(guān)基因的表達(dá)，以提高養(yǎng)殖魚類對病毒和細(xì)菌的抵抗力。最后，基因修飾技術(shù)還可以提升養(yǎng)殖動物的環(huán)境適應(yīng)性。養(yǎng)殖動物通常需要適應(yīng)多種環(huán)境條件，如高溫、低溫、高海拔等。通過調(diào)節(jié)特定基因的表達(dá)，科學(xué)家們可以增強養(yǎng)殖動物對不良環(huán)境的適應(yīng)能力。

3 動物基因工程技術(shù)在動物遺傳育種中的發(fā)展前景

3.1 基因組編輯技術(shù)的突破

基因組編輯技術(shù)是動物基因工程技術(shù)中的重要手段。其中，CRISPR-Cas9 是目前應(yīng)用最為廣泛的一種基因編輯技術(shù)。CRISPR-Cas9 技術(shù)的不斷改進(jìn)將為動物遺傳育種領(lǐng)域帶來很大的突破。首先，在CRISPR-Cas9 技術(shù)的改進(jìn)方面，科學(xué)家們正在努力提高其編輯效率和準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的CRISPR-Cas9 系統(tǒng)在目標(biāo)基因編輯中存在非特異性的剪切和不完全的修復(fù)等問題，容易導(dǎo)致編輯效果不穩(wěn)定。因此，研究人員正在通過改變Cas9 蛋白的構(gòu)型、引入其他輔助因子、優(yōu)化導(dǎo)向RNA 引物和修復(fù)修飾路徑等方式提升CRISPR-Cas9 系統(tǒng)的編輯效率和準(zhǔn)確性。其次，新興的基因組編輯技術(shù)，如基因組底物編輯、基因組置換等也有望為動物遺傳育種帶來新的可能?；蚪M底物編輯技術(shù)通過合成底物修復(fù)DNA 來實現(xiàn)精確的基因編輯，可以有效克服CRISPR-Cas9 系統(tǒng)在特異性編輯方面的限制?；蚪M置換可以通過提升特定基因在種群中的傳播和遺傳穩(wěn)定性來實現(xiàn)遺傳育種進(jìn)程的加速發(fā)展。最后，基因組編輯技術(shù)的應(yīng)用范圍也將不斷擴(kuò)大。除單基因編輯外，多基因編輯、基因組重排和表觀遺傳修飾等技術(shù)也將在動物遺傳育種中發(fā)揮重要作用。通過精確編輯多個目標(biāo)基因，可以實現(xiàn)更復(fù)雜的功能改造，如提高產(chǎn)量、改善產(chǎn)品質(zhì)量、增強抗病能力等。

3.2 基因組學(xué)研究的深入

動物基因工程技術(shù)在動物遺傳育種領(lǐng)域的發(fā)展前景非常廣闊，在基因組學(xué)研究方面，建立和整合動物基因圖譜將成為一個重要的發(fā)展方向。隨著高通量測序技術(shù)的進(jìn)步，研究人員可以更快速、更全面地解析動物基因組中的基因和調(diào)控元素。研究人員正在進(jìn)行大規(guī)模的基因組測序項目并為各種動物建立基因圖譜，這有助于人們深入了解動物基因組的組成、結(jié)構(gòu)和功能，從而為動物遺傳育種提供更多的基礎(chǔ)信息。

4 結(jié)語

動物基因工程技術(shù)作為現(xiàn)代生物技術(shù)的一項重要應(yīng)用，可以通過精確編輯動物基因組來選擇和改變有益基因的表達(dá)，進(jìn)而改良動物種群的遺傳特性。在未來，動物基因工程技術(shù)有望在遺傳育種領(lǐng)域取得更大突破。隨著新一代基因編輯技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，動物遺傳育種目標(biāo)將被更精準(zhǔn)地實現(xiàn)。本文對動物基因工程技術(shù)在動物遺傳育種方面的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景進(jìn)行研究，以期為相關(guān)領(lǐng)域提供借鑒。