上海
編輯丨王多魚
排版丨水成文
在現代作物育種中，大量優異等位基因已經被鑒定出。如何將這些優異等位基因快速、精準地聚合到同一品種中，實現多個性狀乃至復雜性狀的同步改良，是精準育種領域面臨的重要挑戰。
然而，目前不同類型的基因組編輯往往依賴不同工具分別完成：CRISPR-Cas9主要用于基因敲除，堿基編輯器（Base Editor）用于單堿基替換，先導編輯器（Prime Editor）用于小片段插入、刪除或替換。當需要同時完成多種類型編輯時，通常需要跨世代多輪編輯，或在不同植株中分別編輯后再通過雜交聚合不同位點的等位基因。不僅周期長、成本高，而且在多倍體作物和復雜性狀改良中效率受限。因此，開發能夠同步實現多種編輯類型的“多合一”基因組編輯系統，已成為精準育種領域的重要方向。
2026 年 6 月 5 日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞團隊（李洪超、柴壯壯為該論文共同第一作者）在 Natrue 子刊Nature Biotechnology上發表了題為：Multiplexed, precise genome engineering in monocots with twin prime editing systems 的研究論文。
該研究開發了精準基因敲除工具TKO以及“多合一”基因組編輯系統TRIM，為復雜性狀的“一站式”精準聚合提供了全新解決方案。
同時引入多種基因組編輯，仍是作物基因組工程中的一大挑戰。在這項新研究中，研究團隊開發了一種基于雙先導編輯的基因敲除系統（twin prime editing-based knockout，TKO），該系統通過在目標位點精準插入終止密碼子簇（stop codon cluster，SCC），實現精準的翻譯終止，并最大程度減少在 Cas9 基因編輯中常見的框內突變（ in-frame mutation）。
TKO
在水稻、玉米和小麥的原生質體中，TKO 分別實現了高達 70.5%、58.6% 和 75.1% 的基因敲除效率；在水稻再生 T0 植株中，TKO 介導的單基因敲除的平均效率更是達到了 96.8%。在六倍體小麥中，TKO 的三個同源基因同步敲除效率比 CRISPR-Cas9 高出 4.2 倍，這主要歸因于其減少了框內突變。使用序列差異化的 SCC 構建的正交 TKO 編輯工具，能夠在不發生交叉干擾的情況下同時敲除多達 10 個基因。
在上述研究的基礎上，研究團隊進一步提出“多合一”編輯理念，希望構建單一編輯系統同步實現基因敲除、精準編輯和基因組重構。研究團隊將 TKO 與常規先導編輯相結合，建立了兩個TRIM系統（TKO editor-enabled gene rupture and development of integrated multitype genome modification system），可同時實現基因敲除和精準編輯。
在TRIM1系統中，利用常規先導編輯蛋白作為工具酶，采用 TKO 策略實現基因敲除，同時通過常規先導編輯策略實現堿基替換、小片段替換、插入、刪除、復制、倒位等多種編輯。在水稻再生 T0 植株中，TRIM1 實現同時對 4 個基因（1 個基因敲除、3 個基因純合精準編輯）的編輯效率達到 22.8%。在TRIM2系統中，通過先導編輯-重組酶系統將上述編輯能力擴展到千堿基級別，在原生質體中實現了 4.9 kb 的基因插入（效率為 1.2%）和基因敲除（效率高達 79.8%）。
TRIM1
TRIM2
總的來說，與現有基因編輯工具通常只能完成少數類型編輯不同，TRIM系統首次將基因敲除、堿基編輯、小片段編輯以及大片段基因組重構整合到同一平臺，實現了真正意義上的“多合一”基因組工程。該系統能夠在同一植株中同步完成基因敲除、精準編輯和大片段基因組重構，實現多個優異等位基因的快速聚合，為復雜性狀設計育種提供了強有力的新工具，并有望顯著加速單子葉作物精準育種進程。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41587-026-03174-5
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