《Cell》重磅成果：基于先导编辑优化源库关系，创制具有高温抗性的“气候智慧型”作物
一、 研究团队、期刊与发表时间
本研究由中国科学院的科研团队主导完成。主要作者包括Lou Huanchang、Li Shujia、Shi Zihang 等，通讯作者为Cao Xu研究员（单位：中国科学院遗传与发育生物学研究所）。该研究成果以题为“Engineering source-sink relations by prime editing confers heat-stress resilience in tomato and rice”的论文形式，于2025年1月23日发表在顶尖学术期刊 《Cell》 （卷188，页530-549）上。
二、 研究学术背景
本研究处于植物生物学、作物遗传改良与合成生物学的交叉领域。面对全球气候变暖导致作物减产（预计升温2°C将造成3%-13%的产量损失）和2050年全球粮食需求翻番的双重挑战，培育在正常条件下高产、在高温胁迫下稳产的“气候智慧型”作物是保障粮食安全的迫切需求。然而，传统育种在此方面存在瓶颈。
其理论基础源于植物生理学的核心概念——源-库关系。源器官（如叶片）生产光合产物（主要是蔗糖），而库器官（如果实、种子）消耗或储存这些产物。蔗糖从源到库的有效分配（即碳分配）是决定作物产量的关键。细胞壁转化酶（Cell-wall invertase， CWIN）是调控这一过程的关键酶，它将卸载到细胞壁间隙的蔗糖水解为葡萄糖和果糖，为库器官生长提供碳骨架和能量，并产生信号分子。研究表明，番茄的LIN5和其在水稻中的同源基因GIF1，均是控制果实/籽粒灌浆、影响最终产量的核心CWIN基因，并且在驯化过程中受到选择。然而，高温胁迫会显著抑制CWIN基因的表达，破坏源-库平衡，导致蔗糖在库器官中积累而己糖缺乏，最终引起落花落果、籽粒败育，造成严重减产。
以往通过转基因技术异位过表达CWIN基因以增强碳分配的尝试，常因破坏原有的源-库精细平衡而导致植株矮小、产量下降等负面表型。这表明，对CWIN基因的表达进行精准调控而非简单过表达，是优化源-库关系的关键。同时，尽管先导编辑（Prime Editing）技术在动物和单子叶植物中已能实现精准插入，但在双子叶植物中的编辑效率仍不理想。
因此，本研究旨在：1）开发一种适用于双子叶植物的高效率先导编辑系统，以实现对基因调控元件的精准、高效插入；2）利用该系统将热激响应元件（Heat-shock element， HSE）精准插入到番茄和水稻的CWIN基因启动子中，从而赋予这些基因热诱导上调表达的能力；3）验证这种“气候响应型碳分配优化策略”（Climate-responsive Optimization of Carbon partitioning to Sinks， CROCS）能否在正常条件下提高作物产量，并在高温胁迫下挽救产量损失，最终创制出新型“气候智慧型”作物。
三、 详细研究流程与方法
本研究流程复杂，环环相扣，主要包含以下核心环节：
流程一：确立科学问题与表型验证 首先，研究团队在番茄模型品种‘Ailsa Craig’和‘Micro-Tom’中系统验证了高温胁迫导致的产量损失表型。通过温室和生长箱模拟短期急性高温（40°C/30°C 昼/夜）和长期温和高温胁迫，量化了坐果率、单果鲜重、单株产量和果实糖度（Brix值）的下降幅度。表型分析发现，高温导致果实发育迟缓、蔗糖积累但葡萄糖和果糖含量锐减，同时LIN5基因表达显著下调，而其他碳代谢相关基因（如蔗糖转运蛋白、合成酶等）未受显著抑制。这提示CWIN活性抑制是高温减产的关键环节。
为确认LIN5的功能，研究团队利用CRISPR-Cas9技术在‘Micro-Tom’背景中创制了lin5功能缺失突变体（lin5cr）。突变体表现出植株矮化、果实变小、产量降低，且其果实表现出与高温胁迫野生型相似的症状——蔗糖积累和己糖缺乏。相反，利用35S强启动子过表达LIN5同样导致植株矮化、产量下降，并通过14C标记蔗糖示踪实验证明，其破坏了源-库平衡，导致蔗糖在叶片等源器官中异常积累。这些结果共同证明，LIN5的表达需要精细调控，其表达下调是高温减产的核心原因，而过表达则会破坏平衡。
流程二：设计并验证热响应嵌合启动子 基于上述发现，研究团队提出假设：在LIN5自身启动子中插入热激响应元件（HSE），使其在高温下上调表达，从而“矫正”高温导致的抑制，实现表达的“智能化”调节。为了找到高效且干扰小的插入位点，团队建立了一套筛选标准：避开已知顺式作用元件；位于染色质开放区域；靠近翻译起始密码子（1 kb内）。通过对番茄全基因组小热激蛋白基因启动子的基序分析，确定了核心HSE序列为ATTCTAGAAT。利用公开的染色质可及性数据（DNase-seq， ATAC-seq）和顺式元件预测，在LIN5启动子上游-452 bp处选定了一个理想位点。
随后，通过农杆菌介导的烟草叶片瞬时转化实验，进行双荧光素酶报告基因检测。实验证明，含有插入HSE的LIN5启动子（LIN5pro+HSE）驱动的荧光素酶活性在热激2小时后开始显著上升，而野生型启动子或插入 scrambled序列的启动子则无响应。酵母单杂交实验进一步证实，番茄热激转录因子（HSF）能特异性结合LIN5pro+HSE，而不结合对照序列。这验证了通过插入HSE构建热响应启动子的可行性。
流程三：开发高效先导编辑系统并实现精准编辑 为实现HSE在番茄基因组中的精准插入，必须克服双子叶植物先导编辑效率低的难题。研究团队创新性地开发了Csy4-PE系统。该系统基于第三代先导编辑系统（PE3），关键改进在于利用了源自I-F型CRISPR-Cas系统的Csy4核酸酶及其识别位点。具体构建如下：将Csy4蛋白与Cas9切口酶（H840A）和逆转录酶（RT）融合表达；将先导编辑引导RNA（pegRNA）和切口sgRNA（nick-sgrna）的转录本两端 flank 上Csy4识别位点，共同表达。Csy4蛋白会切割其识别位点，从而释放出功能性的pegRNA和nick-sgrna。这种设计能有效防止pegRNA的环化和3’端降解，提高其稳定性。
研究团队将优化后的Csy4-PE系统与已发表的U6-PE系统以及新设计的tRNA-PE系统进行对比。以在LIN5启动子目标位点插入10 bp HSE序列为任务，将三种系统分别转化‘Micro-Tom’。通过对再生转基因植株的PCR基因分型和深度测序分析发现，Csy4-PE系统实现了53.3%的总编辑效率，其中13.3%为精确的理想编辑，而两个对照系统则未能获得任何精确编辑。测序分析在预测的潜在脱靶位点未检测到脱靶效应，证明了其精确性。
为进一步验证Csy4-PE系统的普适性，研究团队又将其应用于番茄其他基因（FMO， ERECTA）的不同位点（启动子， 5’ UTR）进行不同长度序列的插入，在‘Micro-Tom’和加工番茄品种‘M82’中均取得了可观的精确编辑效率（~11%），证实了该系统在双子叶植物中高效、通用的编辑能力。
流程四：在番茄中验证CROCS策略的效果 获得HSE精确插入的LIN5纯合编辑株系（命名为lin5-de）后，研究团队在多个层面和环境下系统评估了其表型。 * 分子层面：表达分析显示，lin5-de植株的LIN5表达在正常条件下比野生型略有提高（约1.4倍），在高温胁迫下则显著上调（约2.2倍），使其在热胁迫下的表达水平恢复到接近野生型常温水平。组织特异性分析表明，HSE的插入没有改变LIN5原有的在花、子房、果实中特异表达的模式，避免了异位表达的风险。 * 表型与产量： * 正常条件（生长箱/温室）：在人工气候生长箱正常条件下，lin5-de的单果重增加26%，单株产量提高30%，果实糖度提升12%，且果实大小均匀性显著改善。 * 高温胁迫（生长箱/温室/开放田间）：在生长箱短期热激下，相比野生型，lin5-de单果重和单株产量分别增加45%和32%。在模拟商业温室的塑料大棚中，经历长期温和高温胁迫后，lin5-de的产量损失被完全挽回，其单株产量甚至达到野生型的近4倍。在开放田间夏季高温条件下，lin5-de同样表现出更高的坐果率和产量，并能完全挽回因温度升高造成的野生型产量损失（20.3%）。 * 生理机制：光合参数测量表明，lin5-de的源器官（叶片）光合能力与野生型无显著差异。关键的证据来自14C标记蔗糖的脉冲-追踪实验。该实验清晰显示，在正常条件下，lin5-de的库器官（子房）中分配的14C信号比例高于野生型；而在高温胁迫下，野生型植株的14C信号大量滞留在叶片中，向子房的分配受到强烈抑制，而lin5-de植株则显著缓解了这种高温诱导的碳分配抑制。这从生理层面直接解释了其增产和抗热的机制。 * 转录组分析：对lin5-de果实的RNA-seq分析发现，除了LIN5自身上调，一系列与源-库关系、果实发育相关的基因也发生了协同上调，包括蔗糖转运蛋白SISUT1、蔗糖合成酶SISUS、淀粉代谢关键酶SIGWD1，以及控制果实大小的基因FW3.2和与细胞分裂相关的蛋白激酶等。这表明对LIN5的精细调控可以引发一系列有利于库强增强和果实发育的分子网络响应。
流程五：将CROCS策略应用于水稻 鉴于CWIN功能的保守性，研究团队将策略拓展至主粮作物水稻。他们针对水稻品种‘中花11’（Zhonghua 11， ZH11）的GIF1（LIN5的同源基因）启动子，应用了针对水稻优化的先导编辑系统（pCam-PE），在-427 bp位置成功插入相同的HSE序列，获得了精确编辑株系（gif1-de），精确编辑效率为8.1%。
gif1-de植株在北京和海南两地的田间试验中表现出显著优势： * 正常条件：植株生长势更强，穗型更饱满。虽然单株分蘖数、穗长、一次枝梗数、千粒重等性状无显著变化，但二次枝梗数、每穗粒数、结实率和收获指数均显著提高，最终导致单株产量和小区产量分别提升约20%和13%（北京）以及8.5%和7.5%（海南）。 * 高温胁迫（田间覆膜升温）：高温导致野生型ZH11的结实率、每穗粒数和千粒重全面下降，单株产量损失达32.2%。而gif1-de植株在高温下表现出更强的韧性：其二次枝梗数、结实率（特别是高次枝梗的结实率）、每穗粒数、千粒重和收获指数均显著高于胁迫下的野生型，从而将单株产量和小区产量的损失挽救了约41%。
此外，研究团队还在另外三个现代优良水稻品种（武优稻-4等）中验证了GIF1在高温下被抑制的普遍性，并在‘武优稻-4’中成功应用相同的编辑策略，初步表型显示其千粒重和单株产量均得到提升，证明了CROCS策略在不同优良遗传背景中的广泛适用性。
四、 主要研究结果及其逻辑关联
本研究获得了一系列相互支撑、逻辑严密的结果： 1. 表型与机制定位结果：明确了高温胁迫导致番茄减产的核心表现是库器官己糖缺乏，并锁定其分子原因是LIN5表达下调。通过创制功能缺失和过表达突变体，反向验证了LIN5表达水平必须被精细调控，过高或过低都会破坏源-库平衡，导致减产。这为后续的“精准调控”策略提供了直接依据。 2. 元件设计与验证结果：成功设计并验证了含有插入HSE的LIN5嵌合启动子具有热诱导活性，且不影响其组织特异性。这为基因编辑提供了明确的目标和序列，证明了策略在理论上的可行性。 3. 工具开发结果：创新性地开发了Csy4-PE先导编辑系统，在番茄中实现了高效率、高精度的靶向序列插入，解决了双子叶植物精准编辑的技术瓶颈。这是实现整个CROCS策略的关键技术保障。 4. 番茄编辑株系表型结果：lin5-de植株在多种环境下均表现出“智能化”的表型：常温下增产增质，高温下稳产甚至大幅挽回损失。生理实验（14C示踪）直接证明其机制在于优化了碳分配，缓解了高温对蔗糖向库器官运输的抑制。转录组数据进一步揭示了其引发的协同基因表达网络变化。这些结果强有力地证实了CROCS策略在番茄中的成功。 5. 水稻编辑株系表型结果：gif1-de植株在北京和海南的田间试验中重复了“常温增产、高温稳产”的模式，特别是在高温下挽救了超过40%的产量损失。这证明CROCS策略具有跨物种的普适性，能够应用于主粮作物，价值巨大。 6. 拓展验证结果：在其他番茄和水稻品种中成功重复编辑与表型，证明了该策略不依赖于特定遗传背景，具备广泛的应用潜力。
这些结果层层递进：从发现问题（高温抑制CWIN）→ 提出解决方案（插入HSE精准调控）→ 克服技术障碍（开发高效编辑工具）→ 在模式作物中验证成功 → 拓展至重要粮食作物并验证其大田应用价值 → 证明策略的普适性。逻辑链条完整，证据坚实。
五、 研究结论与价值意义
本研究的主要结论是：通过开发高效的先导编辑系统，成功实现了将热激响应元件（HSE）精准插入番茄和水稻的细胞壁转化酶（CWIN）基因启动子中，创建了“气候响应型碳分配优化策略”（CROCS）。这一策略赋予了作物根据环境温度“智能”调节碳分配的能力，从而创制出了新型“气候智慧型”作物。这些作物在正常生长条件下可实现更高产量和更优品质，在遭遇高温胁迫时能够维持产量稳定，显著挽回了因热害造成的损失。
其价值体现在多个层面： * 科学价值： 1. 工具创新：开发的Csy4-PE系统为双子叶植物的精准基因组编辑，特别是调控元件的靶向插入，提供了高效、通用的强大工具，推动了植物合成生物学和精准育种技术的发展。 2. 理论突破：成功将合成生物学“设计-构建-测试”的范式应用于复杂的作物农艺性状改良，实现了对源-库关系这一基础生理过程的理性设计与精准重构。证明了通过编辑顺式调控元件来“重编程”基因表达模式，从而优化复杂性状并赋予环境响应能力的可行性。 3. 策略创新：提出的CROCS策略为作物抗逆育种提供了全新思路：不是简单导入或敲除某个基因，而是对既有关键基因的调控回路进行“智能化”升级，使其能动态响应环境变化，平衡生长与抗逆。 * 应用价值： 1. 育种实践：该研究直接创制了具有高温抗性的番茄和水稻新材料，且这些材料是通过编辑优良品种而来，不含外源转基因成分，更易被监管和消费者接受，具备直接应用于育种计划的潜力。 2. 解决重大需求：为应对全球气候变化导致的粮食减产风险提供了切实可行的技术方案和种质资源，对保障全球粮食安全具有重大战略意义。 3. 平台潜力：CROCS策略和配套的编辑工具是一个平台型技术。理论上，可以针对不同的环境胁迫（干旱、低温、盐碱等），将相应的胁迫响应元件插入不同关键农艺性状基因的启动子中，从而快速、定向地创制多种“气候智能型”作物。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的方面
本研究还体现了现代农业科学研究的一些重要趋势： * 多学科深度交叉：整合了植物生理学、基因组学、基因编辑技术、合成生物学、农学田间试验等多个学科。 * 从基础到应用的贯通：研究源于对基础生理现象（源-库关系）的探究，止于大田产量的提升，完美体现了基础研究指导应用创新的路径。 * 数据驱动的决策：在靶点选择、元件设计、脱靶评估等环节，充分运用了生物信息学分析和公共数据库资源。 * 对育种瓶颈的深刻洞察：研究明确指出，许多重要的产量基因存在“过多则有害”的效应，且现代育种已充分利用了已知的优良等位基因，因此创造新的、智能化的遗传变异是未来育种的关键。本研究正是对此洞察的有力回应。
这项研究是作物遗传改良领域的一项里程碑式成果，它不仅在科学上取得了重要突破，更在应对气候变化的现实挑战中展示了巨大的应用前景，为未来作物育种开辟了一条崭新的道路。