近日，农学院、未来作物精准育种基础研究卓越中心、岭南现代农业科学与技术广东省实验室和亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室刘耀光院士和祝钦泷研究员团队在国际知名期刊Plant Communications（中科院一区TOP期刊，影响因子11.6）在线发表了题为“Programmable genome engineering and gene modifications for plant biodesign”的综述论文。该论文系统阐述了植物基因工程如何超越传统的DNA序列“硬编辑”，迈向动态、可逆的基因表达“软调控”新阶段。文章重点介绍了由“DNA靶向模块”、“效应模块”和“控制模块”组成的可编程调控系统，并强调了这些工具在植物合成生物学及未来作物“智能设计”中的巨大应用潜力。
以CRISPR-Cas为代表的基因编辑技术为作物改良带来了革命性突破，但其永久性修改DNA序列的“硬件”式编辑，难以满足对生命活动动态调控的需求。对于许多生命活动必需的基因或复杂调控网络而言，科学家们迫切需要一套能够在不改变DNA序列的前提下，对基因表达进行精准、动态、可逆调控的新型“软件”工具箱。该论文系统总结了基因调控工具可通过三大模块的自由组合与编程，实现对基因表达的多维度、精细化控制（图1）：
1. DNA靶向模块——精准的“基因导航”：以dCas9（无切割活性的Cas9蛋白）为代表的RNA引导平台，能够像GPS一样精准定位到基因组的任意目标位置。
2. 效应模块——多功能的“瑞士军刀”：这是当前技术突破的核心。DNA靶向蛋白可与各类效应结构域融合，执行多样的调控任务，而非切割DNA。主要功能包括：（1）转录调控：通过融合转录激活或抑制因子，如同为基因安装了“开关”，可精准上调或下调其表达水平。（2）表观遗传修饰：通过融合DNA甲基化酶、组蛋白修饰酶等，能够在基因组的特定位点“写入”或“擦除”表观遗传记忆，实现对基因表达的长时程、甚至可遗传的稳定调控。
3. 可诱导调控模块——灵活的“时空遥控器”：为了实现更高维度的生命过程调控，综述重点介绍了可诱导系统。该模块为基因调控工具装上了“时空开关”，能够响应化学分子、光信号等内外指令，在特定时间（如发育的某一阶段）或特定空间（如根、叶等特定组织）激活或关闭效应模块的功能。
图1.多样化的效应模块与dCas9结合实现多种功能
迈向“智能植物设计”的应用与展望。模块化、可编程、可诱导的基因组工程工具箱，正推动植物科学从“认识生命”迈向“设计生命”。其广阔的应用前景体现在（图2）：农业性状的精准工程、植物合成生物学、加速分子育种。未来，这些模块化工具与人工智能（AI）的深度融合，将催生“智能精准设计育种”的新范式。AI能够辅助设计、预测编辑结果，使科学家能够以前所未有的效率和精度，根据需求“定制”出理想的未来作物。
图2.可编程基因工程与基因修饰在植物生物设计中的应用与展望
本科生刘嘉林（现为中国科学院深圳先进技术研究院博士研究生）、博士研究生张瑞祥和博士后柴楠为该论文共同第一作者，祝钦泷教授和刘耀光院士为论文共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、广西科技重大专项、国家自然科学基金、广东省大学生科技创新培育专项资金“攀登计划”等项目的资助。“攀登计划”项目成员本科生郭子鸣、马源浩参与了论文相关工作。
相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590346225001890
文图/农学院
