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：Cas9主要用于基因敲除，碱基编辑器用于单碱基替换，引导编辑器（Prime Editor，PE）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。

 

    近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队在Nature Biotechnology期刊在线发表了题为Multiplexed, precise genome engineering in monocots with twin prime editing systems的研究论文。研究团队开发了精准基因敲除工具TKO（TwinPE-mediated gene KnockOut）以及“多合一”的基因组编辑系统TRIM（TKO editor-enabled gene Rupture and development of Integrated Multitype genome modification systems），为复杂性状的“一站式”精准聚合提供了全新解决方案。

精准敲除工具TKO的开发

 

    PE系统能够实现任意类型的碱基替换和小片段编辑，但在基因敲除方面仍缺乏高效、稳定且通用的解决方案。为此，研究团队首先基于双pegRNA引导编辑（twinPE）策略，在目标位点精准插入终止密码子簇（stop codon cluster，SCC），开发出精准高效的基因敲除工具TKO。与传统Cas9依赖随机插入缺失（indel）实现基因失活不同，TKO通过精准写入终止密码子，实现确定性的基因功能敲除，从而有效避免Cas9系统中常见的3n倍数插入缺失导致的突变（in-frame indel）问题。在水稻、小麦和玉米等单子叶作物的原生质体中，TKO均表现出高效的敲除能力。在水稻再生T₀植株中，TKO介导的单基因敲除的平均效率达到96.8%。

 

    进一步，研究团队开发了10套彼此正交的TKO系统，实现多达10个基因的同时精准敲除。在小麦TaKRN2三个同源基因的同步敲除实验中，TKO效率达到Cas9系统的5.2倍，显示出在多基因和多倍体作物编辑中的显著优势。

多合一”TRIM系统的建立

 

    在此基础上，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PE编辑策略相结合，开发出两个“多合一”TRIM编辑系统。在TRIM1系统中，利用常规PE蛋白作为工具酶，采用TKO策略实现基因敲除，同时通过常规PE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1个基因敲除与3个基因纯合精准编辑的效率达到22.8%。为进一步扩展编辑能力，研究团队开发了TRIM2系统。TRIM2采用PE与Cre重组酶的融合蛋白作为工具酶，在保留TRIM1全部功能的基础上，进一步实现Kb级大片段DNA的插入、替换、删除、倒位和易位等复杂基因组操纵。与现有编辑工具通常只能完成少数类型编辑不同，TRIM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。

 

    此外，为便于TKO的载体设计与构建，研究团队开发了自动化软件TKO_PegDesigner（tko-pegdesigner.net/），可协助用户筛选优异靶点并设计载体构建所需引物。另外，为了便于多pegRNA载体的构建，团队开发了two-round ligation (TRL) 的多(pe)gRNA组装策略，利用两轮连接反应（每轮最多连接6个片段），可实现多达36个(pe)gRNA的组装。

 

    该研究成果于2026年6月5日在线发表于Nature Biotechnology杂志（https://doi.org/10.1038/s41587-026-03174-5）。遗传发育所高彩霞团队的助理研究员李洪超（现为崖州湾国家实验室玉米团队青年科学家）与博士后柴壮壮为本论文的共同第一作者，高彩霞研究员为通讯作者。高彩霞团队的副研究员史晓黎、博士后孙超、副研究员张瑞、博士生张巧、博士生李振宇、博士生雷源，以及北京齐禾生科生物科技有限公司科学家张康也对本研究作出了重要贡献。华南农业大学谢先荣研究员、中国科学院微生物研究所邱金龙研究员、北京齐禾生科生物科技有限公司首席技术官Kevin Zhao为本研究提供了重要帮助。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市乡村振兴农业科技项目、山东省重点研发计划，以及新基石科学基金会等项目资助。