上海
编辑丨王多鱼
排版丨水成文
在现代作物育种中，大量优异等位基因已经被鉴定出。如何将这些优异等位基因快速、精准地聚合到同一品种中，实现多个性状乃至复杂性状的同步改良，是精准育种领域面临的重要挑战。
然而，目前不同类型的基因组编辑往往依赖不同工具分别完成：CRISPR-Cas9主要用于基因敲除，碱基编辑器（Base Editor）用于单碱基替换，先导编辑器（Prime Editor）用于小片段插入、删除或替换。当需要同时完成多种类型编辑时，通常需要跨世代多轮编辑，或在不同植株中分别编辑后再通过杂交聚合不同位点的等位基因。不仅周期长、成本高，而且在多倍体作物和复杂性状改良中效率受限。因此，开发能够同步实现多种编辑类型的“多合一”基因组编辑系统，已成为精准育种领域的重要方向。
2026 年 6 月 5 日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队（李洪超、柴壮壮为该论文共同第一作者）在 Natrue 子刊Nature Biotechnology上发表了题为：Multiplexed, precise genome engineering in monocots with twin prime editing systems 的研究论文。
该研究开发了精准基因敲除工具TKO以及“多合一”基因组编辑系统TRIM，为复杂性状的“一站式”精准聚合提供了全新解决方案。
同时引入多种基因组编辑，仍是作物基因组工程中的一大挑战。在这项新研究中，研究团队开发了一种基于双先导编辑的基因敲除系统（twin prime editing-based knockout，TKO），该系统通过在目标位点精准插入终止密码子簇（stop codon cluster，SCC），实现精准的翻译终止，并最大程度减少在 Cas9 基因编辑中常见的框内突变（ in-frame mutation）。
TKO
在水稻、玉米和小麦的原生质体中，TKO 分别实现了高达 70.5%、58.6% 和 75.1% 的基因敲除效率；在水稻再生 T0 植株中，TKO 介导的单基因敲除的平均效率更是达到了 96.8%。在六倍体小麦中，TKO 的三个同源基因同步敲除效率比 CRISPR-Cas9 高出 4.2 倍，这主要归因于其减少了框内突变。使用序列差异化的 SCC 构建的正交 TKO 编辑工具，能够在不发生交叉干扰的情况下同时敲除多达 10 个基因。
在上述研究的基础上，研究团队进一步提出“多合一”编辑理念，希望构建单一编辑系统同步实现基因敲除、精准编辑和基因组重构。研究团队将 TKO 与常规先导编辑相结合，建立了两个TRIM系统（TKO editor-enabled gene rupture and development of integrated multitype genome modification system），可同时实现基因敲除和精准编辑。
在TRIM1系统中，利用常规先导编辑蛋白作为工具酶，采用 TKO 策略实现基因敲除，同时通过常规先导编辑策略实现碱基替换、小片段替换、插入、删除、复制、倒位等多种编辑。在水稻再生 T0 植株中，TRIM1 实现同时对 4 个基因（1 个基因敲除、3 个基因纯合精准编辑）的编辑效率达到 22.8%。在TRIM2系统中，通过先导编辑-重组酶系统将上述编辑能力扩展到千碱基级别，在原生质体中实现了 4.9 kb 的基因插入（效率为 1.2%）和基因敲除（效率高达 79.8%）。
TRIM1
TRIM2
总的来说，与现有基因编辑工具通常只能完成少数类型编辑不同，TRIM系统首次将基因敲除、碱基编辑、小片段编辑以及大片段基因组重构整合到同一平台，实现了真正意义上的“多合一”基因组工程。该系统能够在同一植株中同步完成基因敲除、精准编辑和大片段基因组重构，实现多个优异等位基因的快速聚合，为复杂性状设计育种提供了强有力的新工具，并有望显著加速单子叶作物精准育种进程。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41587-026-03174-5
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