中山大学李剑峰团队受邀综述植物CRISPR基因编辑研究进展

CRISPR技术自2013年首次被应用于植物基因组编辑以来，凭借其高效性、精准性、便捷性以及强大的多靶点编辑能力，迅速成为主流的植物基因编辑工具。十余年间，众多研究团队持续对植物CRISPR基因编辑系统进行优化和改造，使其从单一的“基因剪刀”进化为可精准操纵基因组、转录组和表观组的多功能“瑞士军刀”，为植物学基础研究和作物性状改良提供了强大工具和全新路径。

近日，中山大学生命科学学院李剑峰教授团队受邀在Plant Physiology创刊100周年庆祝专刊上发表题为Precision genetic manipulation: CRISPR toolkits reshape plant biology的综述论文，系统总结了植物CRISPR基因编辑领域的重要研究进展，并对该领域目前面临的挑战与未来发展方向进行了展望。

该综述首先回顾了2014-2016年间发表在Plant Physiology期刊上的四项重要CRISPR研究，强调了其对后续植物CRISPR基因编辑技术发展的影响。这些工作包括：首次在番茄中实现CRISPR介导的基因编辑；首次利用基因枪法在玉米中实现同源重组修复（HDR）介导的精准编辑和外源基因插入，并证明直接递送体外转录的sgRNA实现基因编辑的可行性；首次在稳转植株中实现CRISPR介导的基因转录激活（CRISPRa）和转录抑制（CRISPRi）；建立了基于荧光蛋白报告基因的无转基因突变体可视化筛选体系。

随后，该综述系统梳理了近十年间植物CRISPR基因编辑领域取得的重要进展，总结了对植物CRISPR基因编辑系统进行优化的不同方向及相应策略，包括提高编辑效率、降低脱靶效应、增强多靶点编辑性能、扩宽靶向范围、简化Cas9转基因剔除流程以及开发无转基因编辑系统等。同时，文章介绍了CRISPR技术在植物学研究和作物育种中的创新应用场景，例如HDR介导的精准编辑、大规模突变体库的创建和筛选、通过编辑启动子或非翻译区（UTR）调控基因转录或蛋白翻译、植物染色体工程、无融合生殖、基因驱动等。该综述进一步对CRISPR衍生的多功能基因组操纵工具箱进行了系统总结（图1），包括碱基编辑器（BE）、引导编辑器（PE）、可编程转录调控因子和表观修饰编辑器，介绍了各自的基本原理、优化策略和最新应用。文章还比较了动植物在编辑元件递送方法、脱靶监控、编辑工具性能和编辑可遗传性等方面的差异，强调了后续研究需要对植物基因编辑工具进行针对性优化。最后，指出了植物CRISPR基因编辑领域目前面临的瓶颈，例如难转化作物亟需有效的编辑元件递送方法，HDR和PE介导的精准编辑在大多数物种（尤其是双子叶植物）中效率偏低，高性能新型CRISPR系统（如紧凑型编辑器）和衍生工具（如转座酶和重组酶）仍有待开发和优化。

图1｜CRISPR衍生的多功能植物基因组操纵工具箱

中山大学生命科学学院博士后黎镇祥为论文第一作者，李剑峰教授为论文通讯作者，博士后熊翔宇、硕士生曹人齐参与图表绘制和文献整理。相关工作得到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目、国家重点研发计划等项目的资助。

李剑峰教授团队长期从事植物CRISPR基因编辑技术研究，首批在植物细胞中实现CRISPR基因编辑（Nat Biotechnol，2013），发现在植物中利用成对gRNA删除串联排列基因会引发高频的染色体片段缺失/倒置双等位变异（Nat Commun，2023），建立了富集植物CRISPR多基因突变体并快速剔除Cas9转基因的“二合一”筛选系统（aBIOTECH，2024），并利用CRISPR系统建立了农杆菌T-DNA在植物基因组的定点整合方法（Plant Biotechnol J，2025）；创制了编辑窗口多样化的植物碱基编辑工具箱（Nucleic Acids Res，2022），建立了基于双分子碱基编辑器互补的随机脱靶消除普适策略（Nat Plants，2023），并利用碱基编辑器编辑内含子剪接位点建立了植物基因失活的新策略（New Phytol，2019）；建立了高效的植物CRISPRa基因激活系统dCas9-TV（Nat Plants，2017），利用该系统在水稻中实现对多个内源基因的同时原位激活（JIPB，2021），并建立了基于植物原生质体的CRISPRa基因功能获得性高通量筛选体系（Nat Plants，2026）。

全文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiag696