2025年10月2日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞團(tuán)隊與中國科學(xué)院微生物研究所邱金龍團(tuán)隊在Science發(fā)表題為“Engineered geminivirus replicons enable rapid in planta directed evolution”的研究論文，研究團(tuán)隊合作對雙生病毒復(fù)制子進(jìn)行工程化改造，首次在植物底盤中構(gòu)建了快速且通用的體內(nèi)定向進(jìn)化系統(tǒng)GRAPE (Geminivirus Replicon-Assisted in Planta Directed Evolution)，并利用該系統(tǒng)實現(xiàn)了植物免疫受體NRC3和Pikm-1的體內(nèi)定向進(jìn)化，為植物基因和蛋白的工程化改造提供了性能強(qiáng)大的高通量技術(shù)平臺。

另外，2025年9月29日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞、清華大學(xué)劉俊杰、中國科學(xué)院動物研究所張勇共同通訊在Cell在線發(fā)表題為“Functional RNA splitting drove the evolutionary emergence of type V CRISPR-Cas systems from transposons”的研究論文，該研究表明首次發(fā)現(xiàn)并定義了連接轉(zhuǎn)座子與CRISPR之間長期缺失的關(guān)鍵進(jìn)化中間體，命名為TranC (Transposon-CRISPR intermediate)，彌合了CRISPR進(jìn)化歷程中的缺口。這些發(fā)現(xiàn)表明，功能性RNA分裂是驅(qū)動不同V型CRISPR-Cas系統(tǒng)從轉(zhuǎn)座子中出現(xiàn)的主要分子事件。

2025年8月4日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞團(tuán)隊在Cell在線發(fā)表題為“Iterative recombinase technologies for efficient and precise genome engineering across kilobase to megabase scales”的研究論文，該研究介紹了可編程染色體工程（PCE）和RePCE，這兩種可編程染色體編輯系統(tǒng)能夠在植物和人類細(xì)胞中實現(xiàn)精準(zhǔn)無痕的千堿基到兆堿基DNA操作。這些進(jìn)展顯著拓寬了基因組編輯在分子育種、治療開發(fā)和合成生物學(xué)中的應(yīng)用范圍。

2025年7月23日，由中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞研究員、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)李國田教授領(lǐng)銜的中外團(tuán)隊，聯(lián)合撰寫的綜述文章Integrated biotechnological and AI innovations for crop improvement在Nature雜志發(fā)表。該文章總結(jié)了多組學(xué)、基因組編輯、蛋白質(zhì)設(shè)計和高通量表型與人工智能在作物遺傳改良中的整合應(yīng)用，并提出了一個由AI輔助的優(yōu)異作物種質(zhì)設(shè)計框架，為未來農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展擘畫了清晰的路線圖。

2025年7月7日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞團(tuán)隊在Cell在線發(fā)表題為“Advancing protein evolution with inverse folding models integrating structural and evolutionary constraints”的研究論文，該研究提出了蛋白質(zhì)工程的計算模擬方法-AiCE，這是一種使用通用蛋白質(zhì)逆折疊模型促進(jìn)高效蛋白質(zhì)進(jìn)化的方法，減少了對人類啟發(fā)式和特定任務(wù)模型的依賴。這些結(jié)果表明，AiCE是一種通用的、用戶友好的變異設(shè)計方法，在效率、可擴(kuò)展性和可推廣性方面優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

2025年2月13日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心陳曉亞、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞共同通訊在Cell在線發(fā)表題為“Design of CoQ10crops based on evolutionary history”的研究論文，該研究通過系統(tǒng)分析輔酶Q在陸生植物中的演化軌跡及關(guān)鍵酶自然變異，解析了植物輔酶Q側(cè)鏈長度控制的分子機(jī)制，利用引導(dǎo)編輯技術(shù)改變水稻基因組Coq1酶的5個氨基酸，創(chuàng)制了合成輔酶Q10的水稻新種質(zhì)，小麥編輯也取得重要進(jìn)展?；趯oQ9和CoQ10在陸生植物中的分布以及相關(guān)的CoQ1序列變異的廣泛調(diào)查，研究人員確定了Coq1催化袋底部的關(guān)鍵氨基酸變化，這些變化在多個被子植物譜系中獨立發(fā)生，并反復(fù)驅(qū)動CoQ9的形成。在這一知識的指導(dǎo)下，該研究使用基因編輯來修飾水稻和小麥的天然Coq1基因，以生產(chǎn)CoQ10，為開發(fā)CoQ10的其他飲食來源鋪平了道路。

在植物中搭建定向進(jìn)化系統(tǒng)，其主要挑戰(zhàn)在于：除分生組織外，植物其他部位的體細(xì)胞普遍增殖緩慢，這一特性會顯著制約定向進(jìn)化過程中所需的突變積累與篩選效率。為解決這一問題，研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地借助雙生病毒（Geminivirus）——這類植物單鏈環(huán)狀DNA病毒具備通過滾環(huán)復(fù)制在植物細(xì)胞中快速擴(kuò)增的特性——開展研究。團(tuán)隊提出核心設(shè)想：若將目的基因的預(yù)期生物學(xué)功能與病毒的滾環(huán)復(fù)制機(jī)制相偶聯(lián)，便可依托病毒高效的DNA擴(kuò)增能力，快速完成基因變體的篩選與富集，最終實現(xiàn)目的基因在植物體內(nèi)的定向進(jìn)化。為了實現(xiàn)這一設(shè)想，研究團(tuán)隊首先對雙生病毒復(fù)制子進(jìn)行工程化改造，實現(xiàn)滾環(huán)復(fù)制過程與基因功能的偶聯(lián)?；谌斯げ《緩?fù)制子，研究團(tuán)隊進(jìn)一步開發(fā)了高通量植物體內(nèi)定向進(jìn)化系統(tǒng)GRAPE：體外誘變目的基因，并構(gòu)建成復(fù)制子文庫；根據(jù)目的基因的生物學(xué)功能設(shè)計遺傳通路，使其與復(fù)制子的滾環(huán)復(fù)制正向或負(fù)向偶聯(lián)；通過農(nóng)桿菌滲入法將復(fù)制子文庫導(dǎo)入本氏煙葉片，讓文庫在葉片內(nèi)完成復(fù)制和篩選；深度測序計算每一個目的基因變體在文庫中的占比變化——促進(jìn)復(fù)制的變體會得到富集，而抑制復(fù)制的變體則被淘汰。

利用GRAPE系統(tǒng)，研究團(tuán)隊成功實現(xiàn)了多種植物免疫受體的快速定向進(jìn)化。植物NLR免疫受體是免疫系統(tǒng)的核心組分，其激活會引發(fā)超敏細(xì)胞死亡，而這一反應(yīng)難以在微生物或動物細(xì)胞中進(jìn)行表征，制約了這類蛋白的功能優(yōu)化與新功能開發(fā)。利用GRAPE平臺，研究團(tuán)隊對茄科中關(guān)鍵的輔助NLR蛋白NRC3進(jìn)行了定向進(jìn)化，借助細(xì)胞死亡將NRC3的功能與復(fù)制子的滾環(huán)復(fù)制相偶聯(lián)，獲得了一系列保留免疫活性的同時可以不受線蟲效應(yīng)蛋白SPRYSEC15抑制的NRC3變體。此外，針對水稻整合誘餌型NLR免疫受體Pikm-1，研究團(tuán)隊利用GRAPE進(jìn)行兩輪迭代定向進(jìn)化，獲得了可以同時識別稻瘟菌AVR-Pik效應(yīng)子6種亞型并激發(fā)免疫反應(yīng)的Pikm-1變體，系統(tǒng)拓展了Pikm-1的效應(yīng)子識別譜。該策略為抗病作物育種創(chuàng)造了寶貴的遺傳資源。

研究團(tuán)隊已證實，眾多不同基因亦可借助GRAPE系統(tǒng)實現(xiàn)功能進(jìn)化。雙生病毒復(fù)制子的滾環(huán)復(fù)制可與多個目的基因的生物學(xué)功能形成正向偶聯(lián)：如內(nèi)含肽、序列特異性蛋白酶與重組酶，這類基因能通過正選擇實現(xiàn)功能進(jìn)化；同源重組因子、序列特異性核酸酶等可與滾環(huán)復(fù)制形成負(fù)向偶聯(lián)，進(jìn)而通過負(fù)選擇實現(xiàn)功能的定向進(jìn)化。這些研究結(jié)果進(jìn)一步驗證了GRAPE系統(tǒng)的通用性，也展示了其作為高度適配植物體內(nèi)環(huán)境的蛋白質(zhì)工程平臺的應(yīng)用潛力。

綜上所述，研究團(tuán)隊基于工程化改造的雙生病毒復(fù)制子，首次在植物體內(nèi)建立了高效定向進(jìn)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在單張本氏煙葉片上，于4天內(nèi)完成對多達(dá)105個目的基因變體的篩選。由于整個篩選過程均在植物體內(nèi)進(jìn)行，其進(jìn)化產(chǎn)物無需額外優(yōu)化即可直接應(yīng)用。GRAPE系統(tǒng)為加速植物分子育種與合成生物學(xué)研究提供了快速、高效的技術(shù)平臺，也為植物基因及蛋白的工程化改造開辟了全新技術(shù)路徑。正如審稿人所評價的：“該研究的獨特之處在于建立了植物體內(nèi)定向進(jìn)化方法，填補(bǔ)了當(dāng)前植物生物學(xué)領(lǐng)域的一項重要空白。該技術(shù)進(jìn)步有望對這一快速發(fā)展的研究領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。”

圖：植物體內(nèi)定向進(jìn)化系統(tǒng)（GRAPE）示意圖及其應(yīng)用

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞研究員、中國科學(xué)院微生物研究所邱金龍研究員為論文的共同通訊作者。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所博士后祝皓誠、微生物研究所已畢業(yè)博士生覃旭、遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所博士研究生魏樂妍、博士后姜丹丹為該論文的共同第一作者。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所碩士研究生張巧、博士后王文乾、助理研究員梁榮洪、副研究員張瑞、副研究員陳坤玲、北京齊禾生科生物科技有限公司首席技術(shù)官趙天萌、高級科學(xué)家張康、高級科學(xué)家劉關(guān)穩(wěn)在課題研究中做出了重要貢獻(xiàn)。中國科學(xué)院微生物研究所葉健研究員為本研究提供了重要實驗材料。

相關(guān)論文信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady2167