近日，中国农科院植保所抗病虫作物生态安全评价与利用创新团队在国际著名植物科学期刊《Plant Communications》在线发表了题为“Optimized tRNA processing and TREX2-SpCas9 fusion enable high-efficiency multiplex genome editing in plants”的研究论文。该研究围绕植物多重基因编辑效率低、编辑不稳定等关键问题，系统优化了CRISPR/SpCas9编辑平台，成功建立了一套适用于植物的大容量、高效率多基因编辑体系，为复杂农艺性状改良和植物功能基因组学研究提供了新的技术工具。
CRISPR/Cas系统已广泛应用于植物基因功能研究与分子育种，但随着编辑位点数量增加，多重基因编辑往往面临编辑效率下降、载体构建复杂以及编辑不均衡等问题。针对这些瓶颈，本研究首先比较了T5exo、TREX2和2×TREX2三种外切酶与SpCas9的融合效果。结果发现，单体TREX2-SpCas9融合系统在水稻中表现出最优编辑性能，可显著提高编辑效率、增加大片段缺失比例并提高双等位突变频率。
在此基础上，研究团队系统筛选了38个水稻内源tRNA元件，成功鉴定出13个高效tRNA元件。其中，tRNALeu-1和 tRNAPro-1的编辑效率达到100%，显著优于目前广泛使用的tRNAGly和tRNAMet。这些新型高效tRNA元件不仅提高了多重编辑效率，也降低了重复序列带来的重组风险，为构建大规模多靶点编辑载体提供了新的模块资源。
随后，研究团队利用优化后的TREX2-SpCas9/tRNA系统，对水稻整个OsCPK基因家族开展高通量多基因编辑。结果显示，在单株T0水稻中，最多可同时实现29个OsCPK基因的编辑，展现出极强的大规模多重编辑能力。这一结果表明，该系统可高效实现复杂基因家族的同步突变，为解析植物功能冗余和复杂信号通路提供了重要技术支撑。此外，为验证该系统的跨物种适用性，研究团队进一步在双子叶植物本氏烟中进行了瞬时表达实验。结果表明，来源于水稻的高效tRNA元件在本氏烟中同样具有良好的加工能力和编辑活性，说明植物间tRNA加工机制具有较高保守性，该平台具有广泛的应用潜力。
本研究建立的TREX2-SpCas9/tRNA高效多重编辑体系，不仅显著提升了植物基因编辑效率和多位点编辑能力，也为CRISPR/Cas12、碱基编辑、引导编辑等其它技术及多位点操作提供了优化方案，为未来复杂农艺性状精准改良、多基因聚合育种以及大规模植物功能基因组研究提供了新的技术路线。
浙江大学农学院已毕业博士生徐子妍为论文的第一作者，周焕斌研究员和周雪平教授为共同通讯作者。该研究得到了农业生物育种重大专项、中国农业科学院南繁专项项目和中国农业科学院科技创新工程等项目的支持。
论文链接：https://www.cell.com/plant-communications/fulltext/S2590-3462（26）00229-4
