2025年6月24日，华南农大刘耀光院士和祝钦泷教授团队在Plant Communications在线发表了题为“Programmable genome engineering and gene modifications for plant biodesign”的综述文章。该综述系统阐述了植物基因工程领域如何从传统的DNA序列编辑，发展到在转录和表观遗传层面进行动态、可逆调控的全新阶段。文章重点介绍了由“DNA靶向模块”、“效应模块”和“控制模块”组成的可编程调控的植物基因组工程系统，并强调了这些工具在植物合成生物学及未来作物设计中的巨大应用潜力。
研究背景
面对气候变化、人口增长和粮食安全等全球性挑战，培育具有更强适应性、更高产量和更优营养的作物迫在眉睫。以CRISPR-Cas为代表的基因编辑技术通过精确改变DNA序列，为作物改良带来了革命性突破。然而，这些技术主要通过产生DNA双链断裂（DSB）来永久性修改基因组信息。对于许多生命活动必需的基因或复杂基因网络的动态研究而言，科学家们迫切需要一种能够在不改变DNA序列的前提下，实现对基因表达进行精准、可逆、动态调控的新型工具。
研究内容
模块化设计：构建多功能的基因表达“调控器”
本综述的核心思想是，现代基因调控工具如同精密的电子元件，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。这些工具的核心优势在于，它们不依赖于对DNA序列的永久性切割或修改，而是在转录和表观层面发挥调控作用。
研究团队将这些先进的基因调控系统拆解为三个基本模块：
1. DNA靶向模块：从早期的锌指蛋白（ZFNs）、TALE蛋白，到如今以dCas9（无切割活性的Cas9蛋白）为主的RNA引导平台，实现了对基因组任意位置的精准定位。
2. 效应模块：当前技术的核心突破在于效应模块（Effector modules）的多元化（图1）。研究人员不再局限于利用核酸酶切割DNA，而是将失去切割活性的dCas蛋白与各类效应结构域融合，实现多样的功能：
● 转录调控：通过融合转录激活因子（如VP64）或抑制因子（如KRAB、SRDX），可实现对内源基因表达的精准上调或下调。
● 表观遗传修饰：融合DNA甲基转移酶（如DNMT3A）、去甲基化酶（如TET1、ROS1）、组蛋白乙酰化酶（如p300）或去乙酰化酶（如HDAC）等，能够精确读写染色质上的“记忆”，实现对基因表达的长时程、甚至可遗传的调控。
●高级应用：通过组合不同的效应模块，如CRISPR on / CRISPR off系统，能够同时利用转录调控和表观遗传修饰工具，实现对特定基因表达状态的稳定、可逆的写入与擦除，建立“表观遗传记忆”。
3. 可诱导调控：为了实现对基因编辑与调控在时间与空间维度上的精准控制，研究人员开发了多种“可诱导”系统。这些系统如同为基因剪刀安装了精密的“遥控开关”，可响应化学小分子（如激素、雷帕霉素）、光信号（光遗传学）或特定细胞表面受体信号，实现对效应器活性的动态“开启”或“关闭”，从而将基因操作与植物特定的发育阶段或环境信号同步，极大降低了脱靶效应和代谢扰动。
图1.多样化的效应模块与dCas9结合实现多种功能
应用与展望：迈向“智能植物设计”
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”。广阔的应用前景体现在（图2）：复杂性状的系统解析与改良、农业性状的精准工程、植物合成生物学的“智能设计”和加速分子育种。
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
未来，这些模块化工具与人工智能（AI）的深度融合，将催生一个“智能精准设计育种”的新范式。AI能够辅助设计更高效的sgRNA、预测编辑结果、甚至从头设计全新的功能蛋白，从而使我们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。
作者简介
华南农业大学本科生刘嘉林（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。华南农业大学农学院、广东省高等学校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。
转载自 | MPlant植物科学
