近日，農(nóng)學(xué)院、未來(lái)作物精準(zhǔn)育種基礎(chǔ)研究卓越中心、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室和亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉耀光院士和祝欽瀧研究員團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名期刊Plant Communications（中科院一區(qū)TOP期刊，影響因子11.6）在線發(fā)表了題為“Programmable genome engineering and gene modifications for plant biodesign”的綜述論文。該論文系統(tǒng)闡述了植物基因工程如何超越傳統(tǒng)的DNA序列“硬編輯”，邁向動(dòng)態(tài)、可逆的基因表達(dá)“軟調(diào)控”新階段。文章重點(diǎn)介紹了由“DNA靶向模塊”、“效應(yīng)模塊”和“控制模塊”組成的可編程調(diào)控系統(tǒng)，并強(qiáng)調(diào)了這些工具在植物合成生物學(xué)及未來(lái)作物“智能設(shè)計(jì)”中的巨大應(yīng)用潛力。

以CRISPR-Cas為代表的基因編輯技術(shù)為作物改良帶來(lái)了革命性突破，但其永久性修改DNA序列的“硬件”式編輯，難以滿(mǎn)足對(duì)生命活動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)控的需求。對(duì)于許多生命活動(dòng)必需的基因或復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)而言，科學(xué)家們迫切需要一套能夠在不改變DNA序列的前提下，對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)、可逆調(diào)控的新型“軟件”工具箱。該論文系統(tǒng)總結(jié)了基因調(diào)控工具可通過(guò)三大模塊的自由組合與編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)基因表達(dá)的多維度、精細(xì)化控制（圖1）：

1. DNA靶向模塊——精準(zhǔn)的“基因?qū)Ш健保阂詃Cas9（無(wú)切割活性的Cas9蛋白）為代表的RNA引導(dǎo)平臺(tái)，能夠像GPS一樣精準(zhǔn)定位到基因組的任意目標(biāo)位置。

2. 效應(yīng)模塊——多功能的“瑞士軍刀”：這是當(dāng)前技術(shù)突破的核心。DNA靶向蛋白可與各類(lèi)效應(yīng)結(jié)構(gòu)域融合，執(zhí)行多樣的調(diào)控任務(wù)，而非切割DNA。主要功能包括：（1）轉(zhuǎn)錄調(diào)控：通過(guò)融合轉(zhuǎn)錄激活或抑制因子，如同為基因安裝了“開(kāi)關(guān)”，可精準(zhǔn)上調(diào)或下調(diào)其表達(dá)水平。（2）表觀遺傳修飾：通過(guò)融合DNA甲基化酶、組蛋白修飾酶等，能夠在基因組的特定位點(diǎn)“寫(xiě)入”或“擦除”表觀遺傳記憶，實(shí)現(xiàn)對(duì)基因表達(dá)的長(zhǎng)時(shí)程、甚至可遺傳的穩(wěn)定調(diào)控。

3. 可誘導(dǎo)調(diào)控模塊——靈活的“時(shí)空遙控器”：為了實(shí)現(xiàn)更高維度的生命過(guò)程調(diào)控，綜述重點(diǎn)介紹了可誘導(dǎo)系統(tǒng)。該模塊為基因調(diào)控工具裝上了“時(shí)空開(kāi)關(guān)”，能夠響應(yīng)化學(xué)分子、光信號(hào)等內(nèi)外指令，在特定時(shí)間（如發(fā)育的某一階段）或特定空間（如根、葉等特定組織）激活或關(guān)閉效應(yīng)模塊的功能。

圖1.多樣化的效應(yīng)模塊與dCas9結(jié)合實(shí)現(xiàn)多種功能

邁向“智能植物設(shè)計(jì)”的應(yīng)用與展望。模塊化、可編程、可誘導(dǎo)的基因組工程工具箱，正推動(dòng)植物科學(xué)從“認(rèn)識(shí)生命”邁向“設(shè)計(jì)生命”。其廣闊的應(yīng)用前景體現(xiàn)在（圖2）：農(nóng)業(yè)性狀的精準(zhǔn)工程、植物合成生物學(xué)、加速分子育種。未來(lái)，這些模塊化工具與人工智能（AI）的深度融合，將催生“智能精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種”的新范式。AI能夠輔助設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)編輯結(jié)果，使科學(xué)家能夠以前所未有的效率和精度，根據(jù)需求“定制”出理想的未來(lái)作物。

圖2.可編程基因工程與基因修飾在植物生物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與展望

本科生劉嘉林（現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士研究生）、博士研究生張瑞祥和博士后柴楠為該論文共同第一作者，祝欽瀧教授和劉耀光院士為論文共同通訊作者。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣西科技重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專(zhuān)項(xiàng)資金“攀登計(jì)劃”等項(xiàng)目的資助。“攀登計(jì)劃”項(xiàng)目成員本科生郭子鳴、馬源浩參與了論文相關(guān)工作。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590346225001890

文圖/農(nóng)學(xué)院