浙江
大豆的精準基因組編輯長期受限于引導編輯技術在雙子葉植物中的低效率。2026年6月9日在線發表于《自然-植物》的《Efficient prime editors for heritable multiplex precision genome editing in soybean》研究中，南方科技大學、中國農業科學院朱健康院士團隊與合作者開發了適用于大豆的高效引導編輯系統GmPEplus和基于Csy4的多重編輯系統CMMPE，在穩定轉基因大豆植株中實現了最高81.3%的精準編輯效率，并可同時對最多12個目標基因進行修飾。
研究團隊首先對引導編輯器的蛋白組分進行了系統性的工程改造。他們刪除了逆轉錄酶結構域中的RNase H結構域，在該結構域中引入了一個V223A氨基酸替換，并且將一個病毒核衣殼蛋白插入到Cas9蛋白與逆轉錄酶之間，由此獲得的GmePE編輯器在大豆毛狀根中的編輯效率比未優化的GmPE系統平均提高了1.9倍。為了進一步抑制DNA錯配修復通路對引導編輯的干擾，研究團隊鑒定了大豆內源的MLH1同源蛋白GmMLH1，并構建了其顯性負效等位基因GmMLH1dn。當他們將GmMLH1dn與GmePE共同表達時，編輯效率在多個靶點上達到了平均32.2%，比最初的GmPE系統提高了3.6倍，這一組合被命名為GmPEplus。在穩定轉化的大豆植株中，GmPEplus在GmJAG1、GmGRF1、GmPDS11等多個基因位點上實現了13.3%到81.3%的精準編輯頻率，并且成功獲得了純合突變和嵌合突變等多種類型的編輯事件。
與以往在水稻和小麥等單子葉植物中的觀察不同，研究團隊發現對非編輯鏈進行額外的刻痕可以大幅提升大豆中的引導編輯效率。他們在GmPEplus的表達構建體中引入了一個用于刻痕非編輯鏈的額外sgRNA，結果在GmJAG1位點上編輯效率平均提高了5.2倍，并且在一些此前難以編輯的位點如GmEPSPS2和GmFAD2-1A/B上也檢測到了有效的編輯事件。研究人員進一步比較了三種不同的刻痕sgRNA加工策略，分別是tRNA重排加工系統、獨立的Pol III啟動子驅動表達系統以及Csy4加工系統。實驗結果顯示，采用獨立的AtU6啟動子來驅動刻痕sgRNA表達的Pol III加工系統表現最為出色，其編輯效率相比原始的tRNA加工系統平均提高了13.1倍，同時還在刻痕位點處大幅降低了意外產生的插入缺失突變副產物。
大豆基因組經歷了古多倍化事件，超過75%的基因存在多個拷貝，這要求開發有效的多元編輯工具。為此，研究團隊建立了基于Csy4核糖核酸酶的多重引導編輯系統CMMPE。他們將多個引導編輯RNA通過Csy4識別序列串聯在同一個表達單元中，并將Csy4蛋白融合到GmPEplus編輯器的N端。在大豆毛狀根中的測試表明，與基于tRNA加工的系統相比，CMMPE系統在同時編輯2到12個基因時表現出更高的效率和更好的均一性。利用CMMPE系統，研究團隊在穩定轉化的大豆植株中成功實現了對三個基因的同時精準編輯。在20株轉基因植株中，有9株至少在一個靶點上獲得了預期的突變，其中兩株植株同時在GmJAG1、GmLOX1和GmLOX2三個位點上攜帶了精準編輯事件。遺傳分析顯示，這些精準修飾能夠穩定傳遞給后代，并且在T1代中篩選到了不含轉基因元件的編輯植株。經過編輯并攜帶TAP-IVS突變的大豆植株還表現出對草甘膦除草劑的良好耐受性，展示了該技術在大豆育種中的實際應用潛力。
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