榫卯之約：五年“冷板凳”打磨自主知識產權基因編輯工具

科研最開心的時刻，不是論文發表，而是從近三年毫無進展的黑暗中，第一次看到實驗數據顯示編輯效率達到百分之幾十的那一天。

“我們花了五年時間，有很多節點都覺得做不下去了，我頭發都掉了好多。”剛剛入職中國農業科學院生物技術研究所的研究員張華偉自嘲道。他帶領團隊自主開發的“榫卯連接系統”（Mortise-Tenon joint system，簡稱MT），為水稻精準基因組編輯提供了突破性解決方案。

該項研究以封面文章形式發表。受訪者供圖

這項研究于1月5日以封面文章形式在《分子植物》（Molecular Plant）上正式發表，由張華偉團隊和中國科學院遺傳與發育生物學研究所、崖州灣國家實驗室李家洋院士團隊合作完成。該技術DNA插入與替換效率最高達59.47%，作為先導編輯器的高效替代技術，成功繞開了傳統精準基因編輯工具的專利，為攻克基因編輯育種瓶頸問題提供了關鍵利器。

從“卡脖子”到另辟蹊徑

白花花的大米飯背后藏著一場關乎國家糧食安全的科技競賽。如何讓作物更抗旱、更抗病、產量更高？科學家們一直試圖尋找更精準的方式“修改”植物的基因密碼。

然而，長期以來，我國的精準基因編輯技術卻一直依賴國外工具先導編輯系統（prime editor，簡稱PE），這也成為我國農業生物育種自主創新路上的“卡脖子”難題。

“這項研究要追溯到2019年底至2020年初，那時先導編輯技術剛出現不久。”張華偉回憶道。先導編輯的原理非常巧妙，能給精準基因編輯提供了一套非常好的框架方案，但是這套框架方案的專利期延續到2038年左右，這就筑起了一道長期的技術壁壘。

中國農業大學教授賴錦盛說，先導編輯系統雖為植物精準編輯的主流底層技術，但其核心專利壁壘卻成為我國作物育種商業化進程中的關鍵“卡脖子”難題——不僅抬高了技術應用成本，更嚴重制約精準編輯技術在主糧、經濟作物育種中的規模化落地，使我國在作物性狀改良領域的創新潛力難以充分釋放。

中國科學院院士、崖州灣國家實驗室副主任錢前指出，在基因編輯工具自主化進程中，我國已取得顯著突破：以Cas12系列核酸酶為代表的序列特異性工具酶，搭配自主研發的堿基編輯器，已在多種作物育種中實現應用，部分工具更是實現了效率與精準度的雙重優化，部分技術已通過國際授權實現反向輸出。這些成果為我國育種技術從跟跑向并跑轉變奠定了堅實基礎。

精準基因編輯是突破育種瓶頸的關鍵——改良作物關鍵農藝性狀的堿基替換及DNA片段的準確插入、替換和刪除，都依賴于高效精準的編輯工具。然而，當前主流的精準編輯技術多數基于先導編輯系統開發，其專利壟斷成為制約我國育種產業發展的“卡脖子”難題，嚴重限制了自主創新成果的產業化應用。

2019年12月，張華偉在北京大學現代農業研究院建立了自己的實驗室。他給自己定下一個目標：建立一套我國自主知識產權的精準基因編輯框架體系，開發屬于中國自己的精準編輯工具。

“基因編輯工具就像光刻機一樣，如果被‘卡脖子’，什么也做不了。”談及研發初衷，張華偉打了個比方：“類似于我們需要一套自主知識產權的‘光刻機’，用于基因編輯產品的開發。”

黑暗中摸索，冷板凳上堅守

“前兩三年完全沒有數據，是非常痛苦的，感覺怎么做都失敗。”張華偉說，這套看似簡單的系統背后，是團隊長達五年的艱難探索。

研究初期，團隊遇到了難以想象的困難。最大的難關就是“卯眼”結構中的5’粘性末端的長度可能具有搖擺性，可能產生多種類型的5’粘性末端，切口處可能有多個胞嘧啶，這樣就對“榫頭”中與之匹配的5’單鏈粘性末端的設計提出挑戰。

困難不僅來自技術層面，還有方法論上的挑戰。團隊最初使用植物細胞去除細胞壁后的原生質體體系進行實驗，這是基因編輯工具開發的常規方法。但他們發現，在他們的實驗中這套體系效率極低。

“我們組里的成員一直做到幾乎崩潰，有一次課題討論會上，一作孫文靜當時都快哭了。就感覺真的是在黑暗中摸索，一點希望都沒有。”張華偉說，在實驗遇到困難，快沒有信心時，是李家洋老師給了他們鼓勵和幫助，幫他們度過了一個個難關。“李老師在百忙之中，多次面對面或者打電話，及時、親切地鼓勵和指導，給了我們很大的勇氣和毅力。”

李家洋老師經常和他們說，科研要坐得住“冷板凳”。關鍵時刻，他還給出了轉折性的建議：由于水稻基因編輯工作要在愈傷組織中實現，何不直接在愈傷組織中嘗試這個實驗呢？

張華偉回憶道，由于不同植物組織中的修復機制不同，這一轉變的確給研究迎來了轉機。

后續研究中，他們進一步整理數據，意外發現了規律。“我們從那一堆看似雜亂無章的完全沒有效率的數據里面發現，好像只要一遇到TC，基因編輯效率就能起來。”張華偉說。

這一發現讓團隊興奮不已：“趕快試了一下，試完以后立馬就開心了！第一次做出來有百分之幾十的編輯效率。”張華偉說那是研究過程中最開心的時刻。最終他們選擇了特異且高效識別TC的胞嘧啶脫氨酶（APOBEC3B）解決了編輯效率低的問題。

高效無痕的編輯技術

在送女兒去聽音樂會的路上，張華偉心里還想著他的基因編輯框架。

突然靈光一閃，中國古建筑傳統木工中的榫卯結構躍入他的腦海，和他們研發的框架系統非常相似——通過構建相互匹配的“榫頭”與“卯眼”，實現DNA片段的精準整合。

具體而言，他們在水稻基因組目標位點制造出特殊的雙鏈斷裂結構（即“卯眼”），該結構具有單端或雙端非互補的5’突出端。隨后合成雙鏈DNA供體作為“榫頭”，供體兩端帶有與“卯眼”完全互補的5’粘性末端。通過互補配對及連接，“榫卯連接系統”可實現DNA片段的定向精準插入和替換。

“榫卯連接系統”的性能令人振奮。在僅含單個TC基序的GRF1基因位點，“榫卯連接系統”的正向插入效率分別達到46.55%、48.12%，且無反向插入；而傳統Cas9系統搭配平端供體時效率僅1%。

在含3個TC基序的IPA1基因位點，當供體為8nt粘性末端時，“榫卯連接系統”的正向插入效率達83.54%，精準插入效率59.47%，是Cas9系統的7倍以上。

與傳統技術相比，“榫卯連接系統”還具有“無瘢痕編輯”的突出特點。張華偉解釋說，之前有一些體系，能夠實現DNA的高效插入，一般使用轉座酶，轉座酶介導的高效插入需要借助于一種稱為重組酶識別位點的序列，這個序列會在外源DNA插入后，保留在插入片段的兩端，有點像手術傷口愈合留下的疤痕。“而我們的榫卯連接系統不需要借助于這樣的序列，編輯之后，不會留下任何多余堿基。”

錢前院士表示，這種模擬榫卯咬合的設計，既規避了PE系統的專利壁壘，又在編輯效率和準確性上展現出獨特優勢，為精準基因編輯提供了全新技術路徑。該系統的建立將有助于在育種實踐中，賦能主糧、經濟作物的性狀改良，加速高產、抗逆、優質新品種培育，助力破解“抗逆必減產”等行業困局。更重要的是，MT系統的自主知識產權屬性，將推動我國精準編輯領域從“技術引進”向“自主創新”轉型，增強在全球種業競爭中的話語權，為保障國家種源安全提供核心技術支撐，彰顯了傳統智慧與現代科技融合的創新力量。

“一開始，我們也沒有想到這個原創系統會這么高效率，畢竟傳統Cas9系統也是經過很多年的不斷迭代才提高編輯效率的。”張華偉強調，研發出一份具有自主知識產權的基因編輯框架系統才是他們團隊最為看重的。

“我們只是部分解決了‘卡脖子’的問題。在基因編輯領域中，我們解決了最難做的框架層次問題，但中間的一些元件還是非國產的。”張華偉說，未來5年左右，希望聯合國內多家實驗室圍繞“榫卯連接系統”建立完全國內知識產權的精準基因編輯工具，服務于精準分子育種。

他們將從兩個方面解決TC序列偏好性的問題：一是尋找特異識別其他序列的高效脫氨酶或者糖基化酶，替代現有系統；二是實現大片段高效替換，這樣即使是存在TC序列偏好性，也沒有問題。

目前的研究是在水稻中完成的，但張華偉表示，“榫卯連接系統”在小麥、玉米等主要農作物中也有廣泛應用潛力。

“做這件事的時候有50%以上是靠情懷在支撐，要不然真的做不下去。”正是這種堅持，讓團隊在基因編輯領域開辟了一條全新的技術路徑。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.molp.2025.11.006