摘 要 畜牧業(yè)作為支撐我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的一大支柱，對(duì)提高人民生活質(zhì)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有重大意義。自上個(gè)世紀(jì) 80 年代美國成功在植物基因組上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定基因編輯以來，轉(zhuǎn)基因技術(shù)取得了飛速的發(fā)展。基因修飾動(dòng)物的發(fā)展在推動(dòng)生命科學(xué)研究的同時(shí)，也深刻地影響到了諸如農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、醫(yī)療業(yè)等諸多行業(yè)的發(fā)展。在畜牧業(yè)，基因編輯技術(shù)主要應(yīng)用于：優(yōu)化畜產(chǎn)品生產(chǎn)、提高畜禽抗病能力、生產(chǎn)特種畜產(chǎn)品和通過基因編輯手段進(jìn)行畜禽類去勢(shì)等方面。此外，基因編輯技術(shù)還可以用于畜牧業(yè)飼料添加，通過降低畜牧業(yè)飼養(yǎng)成本，間接提高畜牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效率。

　　關(guān)鍵詞 畜牧業(yè), 基因編輯, 轉(zhuǎn)基因技術(shù), 畜禽抗病能力, 去勢(shì), 飼料添加

　　1 動(dòng)物轉(zhuǎn)基因

　　1.1 基因編輯技術(shù)基因編輯技術(shù)是指通過利用分子生物學(xué)技術(shù)手段，利用基因工程基本原理對(duì)目的動(dòng)物的靶向基因進(jìn)行目地性的編碼修飾，并結(jié)合體細(xì)胞核移植與胚胎移植等技術(shù)手段，獲得被修飾編碼的個(gè)體，并可以通過動(dòng)物自身繁殖穩(wěn)定遺傳給子代動(dòng)物的一種技術(shù) (殷實(shí), 2009, 商場(chǎng)現(xiàn)代化, (31): 98-99)。自上世紀(jì) 80 年代初美國在植物基因組上成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定基因編輯以來，基因編輯技術(shù)取得了巨大的進(jìn)展。近三十年來，對(duì)基因編輯的研究日益廣泛，基因編輯技術(shù)不僅僅可以改善畜牧業(yè)農(nóng)產(chǎn)品如肉、蛋、奶的質(zhì)量，在生物制藥方面以及建立人類疾病動(dòng)物模型等方面也顯示出了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)(Adams et al., 2004)。基因修飾動(dòng)物的發(fā)展在推動(dòng)生命科學(xué)研究的同時(shí)，也深刻地影響到了諸如農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、醫(yī)療業(yè)等諸多行業(yè)的發(fā)展。動(dòng)物轉(zhuǎn)基因，通過將人工修飾的基因序列重新編碼回動(dòng)物機(jī)體中，或是運(yùn)用一些限制性內(nèi)切酶來對(duì)目的序列進(jìn)行靶向敲除。DNA 片段被轉(zhuǎn)入特定生物中，與其本身的基因進(jìn)行同源重組，再從重組體中進(jìn)行數(shù)代的人工選育，從而獲得具有穩(wěn)定表現(xiàn)特定的遺傳性狀的個(gè)體。隨著二代測(cè)序，基因合成等技術(shù)手段的建立與發(fā)展，基因編輯技術(shù)也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從最開始的同源重組到近年來火爆的 CRISPR/Cas9，基因編輯技術(shù)不斷邁向更加精確更加高效的發(fā)展道路。胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cell, ES) 體外分離培養(yǎng)技術(shù)的突破以及同源重組現(xiàn)象在哺乳動(dòng)物體細(xì)胞中的發(fā)現(xiàn)，為基因編輯提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)平臺(tái)。Gordon 等(1980)最先利用同源重組的方式，成功地建立轉(zhuǎn)基因小鼠模型。在接下來的科研工作中，同源重組作為一種切實(shí)可行的編輯手段，逐漸被人們所認(rèn)可。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012 年英國已有 1 741 913 例基因修飾動(dòng)物及 441 610 例基因突變動(dòng)物被應(yīng)用 (Balls, 2013)。同源重組技術(shù)的發(fā)現(xiàn)也為后來的二代、三代基因編輯技術(shù)提供了有利的技術(shù)支持。

　　1.2 基因編輯技術(shù)的發(fā)展歷程基因編輯技術(shù)的發(fā)展經(jīng)過了漫長的探索歷程，特別是人工改造限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，突破了同源重組的技術(shù)瓶頸，使得轉(zhuǎn)基因技術(shù)取得了跨越式的發(fā)展。但是，同源重組在被廣泛的應(yīng)用過程中，逐漸暴露了其本身不可避免的缺陷。同源重組的過程需要一系列如 RecA、RecF、RecR 以及真核生物體細(xì)胞內(nèi)的 Rad51、Mre11-Rad50 等酶促反應(yīng)來輔助進(jìn)行(Copeland et al., 2001)，同源重組具有一定的局限性。根據(jù) Holliday 結(jié)構(gòu)(holliday juncture structure)的形成和拆分，同源重組的過程可以分為前聯(lián)會(huì)體階段、聯(lián)會(huì)體形成階段和 Holiday 結(jié)構(gòu)的拆分階段。因此，同源重組的發(fā)生必須嚴(yán)格依靠不同 DNA 片段間的高度同源性，并且效率只有 20%~30%。 2010 年，人工改造內(nèi)切酶的出現(xiàn)，使得目的性干預(yù)基因編碼過程成為可能。鋅指轉(zhuǎn)氨酶(zincfinger nuclease, ZFN)因其具有能夠識(shí)別并結(jié)合指定的基因位點(diǎn)從而高效且精確地切割 DNA 靶點(diǎn)的特性而聞名。鋅指核酸酶技術(shù)利用其特異性的靶點(diǎn)結(jié)合能力大大地提高了修飾過程中的定點(diǎn)整合率(Geurts et al., 2009)。被稱為 2010 年值得關(guān)注的基因工程技術(shù)之一。緊接著，另一種可以靶向修飾基因序列的類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶(TALENs)被應(yīng)用，它借助于 TAL 效應(yīng)核酸酶(一種由植物細(xì)菌分泌的天然蛋白)來識(shí)別特異性 DNA 堿基對(duì)并在特異位點(diǎn)對(duì) DNA 鏈進(jìn)行切割，從而導(dǎo)入新的遺傳物質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，利用4 種特異的氨基酸來識(shí)別相應(yīng)的靶位點(diǎn)的方式，可以準(zhǔn)確導(dǎo)向幾乎所有的 DNA 序列中。TALENs 的發(fā)展應(yīng)用，使一些基因編輯的難題如定點(diǎn)敲除、敲入或靶向修飾成為可能(Ding et al., 2013)。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋅指轉(zhuǎn)氨酶和類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶技術(shù)在果蠅、斑馬魚、青蛙、小鼠、大鼠和豬等動(dòng)物中成功應(yīng)用的同時(shí)，逐漸暴露其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本昂貴、實(shí)驗(yàn)周期長和效率不穩(wěn)定(據(jù)悉, ZFN 每次編輯成本達(dá)到 6 000 美元，TALEN 的效率只有 Cas9 的五分之一)等缺點(diǎn)(Gaj et al., 2013)。2013 年，《Science》雜志上的兩篇基于 CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)在細(xì)胞水平上實(shí)現(xiàn)基因敲除的方法的文章的報(bào)道，將 Cas9 從理論化推向了實(shí)踐化。CRISPR/Cas9 也被作為第三代基因修飾技術(shù)被應(yīng)用到基因工程中。這項(xiàng)基因編輯技術(shù)主要通過利用古生菌體內(nèi)特有的 CRISPR 防御機(jī)制并結(jié)合靶點(diǎn)特異性的導(dǎo)向 RNA，從而將 Cas9 蛋白引導(dǎo)到特定的目的區(qū)域，并對(duì)其靶向區(qū)域進(jìn)行編輯。此技術(shù)的發(fā)現(xiàn)彌補(bǔ)了先前技術(shù)打靶率低、成本高、流程復(fù)雜等缺陷。隨著新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的不斷深入，多基因同時(shí)操作顯得非常重要。CRISPR/Cpf1 的發(fā)現(xiàn)，因其具備的高效的敲除效率，為解決基因編輯中基因基因敲除的定點(diǎn)突變，定點(diǎn)插入等技術(shù)突破提供了新的解決思路。

　　2 基因編輯技術(shù)

　　在畜牧生產(chǎn)上的應(yīng)用通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)來提高畜牧行業(yè)的生產(chǎn)效率，促進(jìn)畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的想法由來已久。生命體的各種性狀，如生長、發(fā)育、繁殖等都與其遺傳物質(zhì)息息相關(guān)。通過基因編輯技術(shù)手段，對(duì)畜體的基因進(jìn)行改造，提高其肉質(zhì)水平，產(chǎn)奶、產(chǎn)毛質(zhì)量，尋找促進(jìn)動(dòng)物生產(chǎn)的調(diào)控基因，成為科研工作者研究的方向 (栗景蕊和賀爭鳴, 2014)。在畜牧業(yè)，基因編輯技術(shù)主要應(yīng)用于：優(yōu)化畜產(chǎn)品生產(chǎn)、提高畜禽抗病能力、生產(chǎn)特種畜產(chǎn)品及通過基因編輯手段進(jìn)行畜禽類去勢(shì)等方面。

　　2.1 優(yōu)化畜產(chǎn)品生產(chǎn)隨著 1982 年超級(jí)大鼠的誕生，催發(fā)了人類關(guān)于基因編輯優(yōu)化畜產(chǎn)品生產(chǎn)能力的思維。近三十年來，基因編輯技術(shù)在農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)上的應(yīng)用日益廣泛。 2003 年，Brophy 等(2003)利用同源重組技術(shù)，生產(chǎn)出 β 酪蛋白高表達(dá)牛。農(nóng)畜產(chǎn)品中，肉、蛋、奶、皮毛是支撐農(nóng)畜產(chǎn)品的重要的經(jīng)濟(jì)支柱，通過基因編輯的手段，提高農(nóng)畜產(chǎn)品的產(chǎn)量、提升畜體瘦肉率、以及優(yōu)化毛皮質(zhì)量，成為提升畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的熱門(李秋玲等, 2012, 中國畜牧雜志, 48(4): 44-48)。尤其是近年來 CRISPR/Cas9 高速發(fā)展，使得基因編輯技術(shù)的應(yīng)用常態(tài)化。這也為利用基因編輯優(yōu)化畜產(chǎn)品生產(chǎn)能力提供了有利的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　2.2 提高畜禽抗病能力在畜牧業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中，動(dòng)物防疫與免疫一直是是困擾人類提升畜牧業(yè)生產(chǎn)效益的難題。一些流行性疾病，如禽流感、口蹄疫等，不僅對(duì)養(yǎng)殖農(nóng)戶造成了直接的經(jīng)濟(jì)損失，甚至對(duì)整個(gè)畜牧行業(yè)都會(huì)造成深遠(yuǎn)的影響。從基因水平上提高畜禽抗病能力，不僅會(huì)降低易感動(dòng)物對(duì)流行性疾病的敏感度，促進(jìn)農(nóng)畜動(dòng)物的生長，還可以從根源上，阻止疾病的傳播，使更多的農(nóng)戶乃至整個(gè)畜牧行業(yè)從中受益。從根源上阻斷流行性疾病的發(fā)生，也可以降低人畜共患病的發(fā)生，也不會(huì)因?yàn)榭股�素濫用而造成機(jī)體耐藥性的升高，有報(bào)道稱，表達(dá) hDAF 外源基因的豬可以提高自身免疫能力，溶葡萄球菌酶的過表達(dá)可以有效控制奶牛乳腺炎(Kerr et al., 2001; Wall et al., 2005)。

　　2.3 生產(chǎn)特種畜產(chǎn)品農(nóng)畜產(chǎn)品作為生活必需品，關(guān)系著人們的衣食住行多個(gè)方面。但隨著生活水平的提高，傳統(tǒng)的農(nóng)畜產(chǎn)品已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需求，特種畜產(chǎn)品的需求往往供不應(yīng)求。農(nóng)畜產(chǎn)品除了傳統(tǒng)意義上肉、蛋、奶、皮毛等，其特種產(chǎn)品等對(duì)醫(yī)學(xué)研究也有重大意義。2010 年，由轉(zhuǎn)基因兔產(chǎn)生的單克隆抗體藥物被歐洲藥品管理局批準(zhǔn)(李紫聰?shù)? 2013, 廣東畜牧獸醫(yī)科技, 38(4): 1-5)，不僅如此，一批批轉(zhuǎn)基因的寵物動(dòng)物模型被確立，如小型馬、熒光魚等觀賞型寵物(崔保安等, 2003, 河南畜牧獸醫(yī), 24(4): 10-11)，豐富了寵物市場(chǎng)，增加了人們的生活情趣。

　　2.4 通過基因編輯的手段實(shí)現(xiàn)畜禽類去勢(shì)在畜牧業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中，為了更好的實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)價(jià)值，提高生產(chǎn)效益，動(dòng)物去勢(shì)作為一種傳統(tǒng)的技術(shù)手段被廣泛應(yīng)用。現(xiàn)階段，大部分去勢(shì)手段均采用傳統(tǒng)的外科手術(shù)方式。外科手術(shù)，不僅具有手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)動(dòng)物機(jī)體健康造成一定的隱害，還會(huì)造成動(dòng)物的應(yīng)激反應(yīng)。據(jù)悉，有很大一部分進(jìn)行外科性去勢(shì)手術(shù)的動(dòng)物死于手術(shù)過程中，或因手術(shù)感染而死。在基因水平上消除動(dòng)物性別對(duì)農(nóng)畜產(chǎn)品品質(zhì)的影響，為實(shí)現(xiàn)畜禽類去勢(shì)提供了新的方法。研 究 證 實(shí) ， GADD45G 的缺失會(huì)造成小鼠上的雄性不育。此外，基因編輯技術(shù)還可以用于畜牧業(yè)飼料添加。據(jù)悉，畜牧業(yè)是消費(fèi)轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物主要行業(yè)。研究表明，食用以轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物為飼料的家畜在其生產(chǎn)性能、消化率、以及健康狀況上與食用非轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的家畜相同(Cheng et al., 2008)，但轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物可以通過改良與產(chǎn)量有關(guān)的調(diào)控基因或是插入抗蟲害的基因片段來提升作物產(chǎn)量，降低了牲畜飼養(yǎng)成本，從而間接地提高了畜牧業(yè)生產(chǎn)效益。也有研究證實(shí)，可以在農(nóng)作物中特異性表達(dá)某些必須氨基酸或是某些抗生素，來促進(jìn)以此為飼養(yǎng)原料的農(nóng)畜產(chǎn)品的生長、發(fā)育。

　　3 小結(jié)

　　基因修飾動(dòng)物的發(fā)展在推動(dòng)生命科學(xué)研究的同時(shí)，也深刻地影響到了諸如農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、醫(yī)療業(yè)等諸多行業(yè)的發(fā)展，在畜牧業(yè)方面的應(yīng)用也日趨完善。隨著基因編輯技術(shù)水平的不斷提高，在畜牧業(yè)，轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用前景不可估量。動(dòng)物轉(zhuǎn)基因技術(shù)猶如一把雙刃劍，用的好，不僅會(huì)利于畜牧業(yè)的發(fā)展，更會(huì)使更多行業(yè)從中受益。同時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)中濫用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，會(huì)打破大自然固有的平衡，甚至?xí)�造成人類基因組的退化。

　　《基因編輯技術(shù)的發(fā)展及在畜牧業(yè)中的應(yīng)用》來源：《基因組學(xué)與應(yīng)用生物學(xué)》，作者：劉晉冀， 楊潔鴻， 李蓮軍。