摘要：面向我国粮食安全、人民健康的重大战略需求，瞄准生命科学与农业生态学前沿，攻克遗传与发育生物学和农业资源高效利用领域重大科学和关键技术问题，在国家科技创新体系中发挥骨干和引领作用，成为遗传与发育生物学原始创新研究基地、生物高新技术研发基地、优秀人才培养基地和国内

中国科学院遗传与发育生物学研究所

战略定位和发展目标

2024年度，中国科学院遗传与发育生物学研究所科研人员在植物激素独脚金内酯信号感知、 植物修复损伤与再生、土壤中根系形态时空变化机制、细胞囊泡循环机制、早期胚胎发育脂质图谱、建立环境智能型高产-稳产作物设计育种新策略、植物新品种创制等领域取得一系列重要进展；在Cell、Science、Nature Cell Biology、Nature Biotechnology等学术期刊上共发表SCI论文467篇，平均影响因子9.8，其中，以通讯作者发表在Cell、Nature、Science上5篇。相关领域重要进展概述如下：

一、重要理论发现

01 植物生长发育分子机理

植物激素是植物体内合成的一系列微量有机化合物，它们在极低的浓度下就能对植物的生长发育等生理过程产生深远的影响。独脚金内酯是近年来发现的一种重要植物激素，在调控植物分枝 (即分蘖) 数目这种生长发育关键性状中发挥关键作用。李家洋团队的王冰等人阐明了水稻中由独脚金内酯受体D14介导的信号感知的激活、调控和终止机制，解决了独脚金内酯信号感知机制的争议问题，发现了在泛素化修饰和蛋白降解之间新的调控机制，揭示了D14通过磷酸化调控自身稳定性的新机制以及该机制在水稻分蘖响应低氮环境中的核心作用。通过改变D14的磷酸化状态能够实现降低氮肥投入而不减少分蘖，对作物株型的精准改良以及减肥增产水稻新品种的分子设计育种具有重要指导意义 (Hu et al.,Cell)。

乙烯作为一种气态激素，在调节植物生长发育和环境适应性方面发挥着重要的作用。植物如何通过感知体内乙烯含量快速启动和关闭乙烯信号转导是一个重要的生物学问题。张劲松团队以水稻乙烯信号转导为模型，利用水稻乙烯信号负调控组分OsCTR2在响应乙烯时快速发生的磷酸化变化作为信号激活和衰退的灵敏指标，阐明了MHZ3在乙烯信号转导通路中的双重角色，即在没有乙烯情况下MHZ3与乙烯受体互作促进OsCTR2磷酸化，抑制信号转导；而在乙烯存在下，MHZ3与OsEIN2互作增强，稳定OsEIN2使乙烯信号转导处于激活状态 (图1)。这项研究不仅为乙烯信号级联的早期事件提供了重要见解，还可能为其他信号通路提供参考的概念范式 (Li et al.,Nat Commun)。

图1 MHZ3调节乙烯信号开关的工作模型

在番茄中，防御激素茉莉酸主要调控植物对机械损伤、咀嚼式昆虫和死体营养型病原菌的抗性反应。李传友团队与合作者发现乙烯信号途径核心转录因子EIL在调控番茄品质形成相关基因表达的同时，靶向激活茉莉酸代谢基因CYP94C1的表达，从而消减茉莉酸介导的抗性，回答了“为什么成熟的果实更容易受死体营养型病原菌的侵害”。该研究不仅揭示了果实成熟过程中抗性降低的分子机理，而且为育种中解决品质与抗性相矛盾的关系、减少采后损失提供了基因靶标和技术手段 (Yang et al.,Mol Plant)。

烟素最初为从烟雾中鉴定的一类有机物燃烧产生的信号分子，调控植物的种子萌发、光形态建成、共生、环境适应性等诸多过程。王磊团队与李家洋团队的王冰等人合作首次揭示了烟素信号途径中的抑制蛋白SMAX1和SMXL2具有非转录调控活性，发现了SMXL蛋白激活基因表达的新机制以及在烟素信号介导的红光形态建成中发挥重要功能，对深入研究独脚金内酯以及其他激素信号途径中关键抑制蛋白的新功能提供了借鉴 (Chang et al.,Mol Plant)。

转录因子WUSCHEL(WUS)是维持植物茎尖分生组织中干细胞功能的核心因子，但是在转录后水平上，调控WUS蛋白稳定性的分子机制仍不清楚。另外，植物茎尖分生组织大小与器官大小的分子联系是仍未回答的科学问题。李云海团队与合作者研究发现，拟南芥中具有肽酶活性的DA1可以切割WUS蛋白，影响WUS的蛋白稳定性，从而调控茎尖分生组织和器官大小的重要机制。该研究首次揭示了DA1是调控WUS蛋白稳定性的因子，同时揭示了DA1参与细胞分裂素信号途径调控WUS蛋白稳定性的分子机制，部分回答了大的茎尖分生组织可能产生大的组织器官的科学问题，为提高作物产量提供了理论基础 (Cui et al.,Nat Commun)。

植物三维结构形成的核心是细胞分裂方向的精确控制。然而，目前对于控制细胞分裂方向的机制仍然未知，挖掘关键因子并解析其机制对于在细胞水平上重塑植物结构具有重要的理论和应用价值。杨宝军团队与合作者建立了植物细胞分裂筛选系统，测试超15000种化合物，获得了影响植物细胞分裂方向的小分子化合物coral7；进一步发现转录因子SPL13调控植物细胞分裂方向，同时揭示了SPL分子模块参与根系的时空形态重塑，为实现根系遗传改良和重塑提供了关键位点 (Yang et al.,Science)。

苔藓植物是陆地植物的第二大类群，地钱作为苔纲的代表植物，适合作为模式植物来进行研究。李红菊团队鉴定到四个地钱MLO基因家族成员MpMLO1-4，其中MpMLO1在地钱精子囊成熟时特异表达于外被层顶端细胞，通过介导钙信号诱导顶端细胞程序性死亡，使外界水进入精子囊致其破裂释放精子 (图2)。该研究揭示了苔藓植物精子释放分子机制，证明了MLO-钙信号模块在植物有性生殖演化中的功能保守性，为植物生殖相关研究提供重要依据与新视角，推动对苔藓植物生殖过程的深入理解与相关领域进一步探索 (Cao et al.,Nat Plants)。

图2 MpMLO1通过启动精子囊外被层顶端细胞的凋亡调控地钱精子释放

在自然界，应对机械胁迫造成的损伤，植物在长期的进化过程中形成了令人叹为观止的能力，但人们对损伤引发植物再生的原初信号及其转导机制知之甚少。番茄是研究植物受伤反应的经典模式植物。李传友团队与合作者以番茄为模式首次鉴定到诱发植物再生的原初受伤信号分子—再生因子REF1 (REGENERATION FACTOR 1)，并系统揭示了REF1调控组织修复和器官再生的信号转导网络，绘制了利用REF1大幅度提高作物育种效率的技术路径。该研究是对植物受伤反应机理的重要发展，不仅找到了诱发植物再生的原初受伤信号分子REF1，破解了困扰科学界几个世纪的难题，而且为育种实践中解决作物遗传转化效率低、物种和基因型依赖严重等瓶颈问题提供了便捷普适的方案 (Yang et al.,Cell)。

真核微生物的重金属抗性分子机制研究具有多方面应用价值，如辅助植物修复、根际钝化、生物冶金等等，但真核微生物能否在重金属诱导下快速进化出更高抗性，还尚未可知。李小方团队最近的研究表明，以大型真菌为代表的真核微生物可以在数月时间尺度内，在实验室条件下实现镉 (Cd) 诱导定向进化，可将高抗性菌株的镉抗性再次提高3倍。研究团队通过基因组测序和重测序进一步探索了其极端抗性形成的潜在分子机制。该发现有助于从基因组水平上理解真核生物的Cd抗性，并为利用高抗性的大型真菌开发生物修复工具奠定了基础 (Wang et al.,J Hazard Mater)。

02 作物耐逆分子机理

精氨酸甲基转移酶 (PRMT) 是一类进化上保守的蛋白家族，负责催化蛋白质精氨酸甲基化。植物中PRMT通过基因转录以及转录后调控，影响植物的生长发育和逆境响应等。曹晓风团队与合作者开展了PRMT6在番茄抗病毒方面的研究，发现了PRMT6介导病毒基因沉默抑制子VSR精氨酸甲基化参与植物抗病防御的新机制，拓宽了人们对植物PRMT功能的认识 (Zhu et al.,Cell Host Microbe)。

小麦白粉病是严重威胁我国粮食安全的重要病害。提高小麦的白粉病抗性，尤其是广谱抗性，是当前小麦抗病育种领域的重要任务和挑战。刘志勇团队与赵玉胜团队图位克隆了野生二粒小麦来源的抗白粉病基因Pm36，并发现该基因分布在野生二粒小麦的南部居群，没有参与到小麦的进化过程，在现代小麦基因库中是缺失的，对目前已知的所有小麦白粉菌表现高抗至免疫。团队采用分子设计育种将Pm36基因导入到我国小麦主产区主栽品种，创制出既高产又抗病的小麦新种质ZKPm36，为培育广谱抗白粉病小麦新品种提供了重要的基因资源和理论基础 (图3) (Li et al.,Nat Commun)。

图3 小麦广谱抗白粉病基因Pm36图位克隆

为了适应复杂的外界环境，植物进化出一系列精密的机制。在逆境条件下，植物通过调控生长发育及胁迫响应相关基因的表达，能够更有效地适应外部环境变化，实现生长与胁迫响应之间的平衡。曹晓风团队研究发现AtPRMT3-RPS2B是冷冻胁迫的负调控因子，并筛选获得显性抑制基因PDCD2-D1，其在核糖体前体动态组装过程中发挥重要的调控功能。该研究不仅揭示了核糖体翻译在植物生长发育和胁迫响应的表达平衡机制，也为作物生长与抗逆的研究提供了理论基础 (Wang et al.,Nat Commun)。

水稻直播因其成本低、方便而被广泛采用，但其应用主要受到秧苗活力低、对寒冷敏感的制约，最终导致粮食产量下降。水稻中转录因子OsbZIP01对水稻幼苗和成熟植物的光调控非常重要，姚善国团队发现OsbZIP01的两个等位基因突变体vig1a和vig1b表现出极大增强的幼苗活力和耐冷性。进一步的分析表明，OsbZIP01和OsbZIP18在多种重要的生物程序中协同发挥作用，通过它们的相互作用决定幼苗的建立、耐寒性和谷物产量。这些发现为同时提高水稻生产的秧苗活力、耐寒性和粮食产量提供了策略 (Xiong et al.,Nat Commun)。

03 作物分子育种

杂交水稻技术极大地提高了中国乃至世界的水稻产量，中国独创的通过光/温敏雄性核不育系的两系法，简化了种子生产流程，节省了资源，成为水稻杂种优势利用的主要途径。曹晓风团队、陈宇航团队与合作者揭示了TMS5突变致使环磷tRNA修复失败、成熟tRNA无法循环再利用，从而导致温敏不育的分子机理。该研究不仅有助于培育其他作物的温敏核不育系，也为理解人类和高等动物的生殖生物学，尤其是在生殖健康和生育治疗方面提供新的视角 (Yan et al.,Cell Res)。

杂交水稻的制种成本在不断增加，亟需开发一种适用于杂交稻机械化制种方法以实现杂交水稻制种的产业升级。李云海团队与合作者寻找到了一个理想的籽粒大小调控基因GSE3，并揭示了其调控籽粒大小的分子机制；提出了快速改良目前生产中优良杂交水稻亲本，实现杂交水稻机械化制种的策略。该研究为其他重要作物的机械化制种提供了便捷的解决方案 (Huang et al.,Nat Plants)。

大豆作为全球重要的油料作物和经济作物之一，是人类优质蛋白和饲料蛋白的主要来源。目前我国大豆单产水平低，提高我国大豆单产刻不容缓，而种子大小是决定大豆产量的关键因素之一。田志喜团队利用全基因组关联分析和QTL定位分析，确定了一个控制大豆籽粒宽度和粒重的基因GmSW17。该基因编码去泛素化酶，可与另外两个蛋白形成去泛素化模块，具有去泛素化H2Bub活性，从而调控G1/S期转换，影响细胞增殖和细胞扩张，最终调控大豆种子发育；并发现在大豆驯化中GmSW17经历人工选择但未在现代育种中固定。该研究明确了调控种子大小的分子机制，对利用分子设计育种培育高产大豆新品种具有重要意义 (Liang et al.,Nat Commun)。

小麦是全世界主要的粮食作物之一，其产量主要由亩穗数、千粒重和穗粒数决定。穗发育关键基因挖掘及作用机制的研究尚处于初步阶段。肖军团队通过对穗发育关键时期的转录组、染色质可及性和多种组蛋白修饰测序，绘制了小麦穗发育过程的动态转录和表观修饰图谱，搭建了小麦穗发育过程的转录调控网络；并与合作者搭建了小麦穗发育多组学数据库 (WSMOD)，为研究人员提供包括基因信息查询、共表达分析、TRN预测、表观图谱绘制及突变体库检索等模块在内的“一站式”服务 (图4) (Lin et al.,Mol Plant)。

图4 小麦穗部多组学数据库网站 (WSMOD)

04 信号转导与分子发育

microRNA在转录后水平调控基因表达和多个生物学过程。从单细胞精度阐明microRNA的4D时空表达模式，将为相关研究提供重要的切入点。杜茁团队与合作者通过构建荧光报告品系，并采用基于高分辨成像的单细胞解析方法，量化了线虫进化保守的microRNA在整个胚胎发育中各个细胞的转录活性，并明确了细胞的身份和空间信息。该结果命名为“单细胞摄像机” (scCAMERA)，实现了在多细胞生物中对microRNA的表达解析，完成迄今最高分辨率和覆盖率的时空解析，并以此揭示了多个microRNA的发育新功能，及其调控细胞命运的基本作用模式，揭示了microRNA的胚胎发育4D表达及功能模式。该研究为系统发掘microRNA在发育过程中的功能，理解其基本功能模式提供参考和指导 (Xu et al.,Nat Commun)。

图5 ASI-RIM神经元轴通过TGF-β信号通路协调系统性线粒体应激反应

PI3K-PI(3,4,5)P3-AKT信号通路在细胞的生长、增殖、代谢和迁移等过程中起着重要的调控作用，该信号通路是癌症中突变频率最高的信号通路之一。然而，该信号通路在哺乳动物细胞中时空激活的亚细胞定位和调控机制仍不清楚。何康敏团队与合作者使用活细胞单分子荧光成像，结合脂质分子探针设计、基因编辑、图像分析等方法，揭示了黏着斑 (focal adhesion) 调控PI3K-PI(3,4,5)P3-AKT信号通路时空激活的新机制，该机制可能是细胞在基础或生理状态下，响应细胞外环境激活PI3K-PI(3,4,5)P3-AKT信号的主要途径 (Wang et al.,Mol Cell)。

细胞外或细胞膜上的物质通过囊泡运输进入细胞，会通过循环途径再次回到细胞膜。然而，对于上千种不同的膜蛋白的循环途径以及机制仍然知之甚少。何康敏团队利用耦合探测膜脂探针和多种成像技术，发现了一条新的快速囊泡循环途径CARP (clathrin-associated fast endosomal recycling pathway)，CARP囊泡能够以“kiss-and-run”的方式，与细胞膜发生数秒到数十秒的互作并再次回到细胞内，其独特的动力学与经典的内吞囊泡和循环囊泡均不同。CARP循环途径在生成方式、膜融合方式、功能以及关键调控因子等方面，与经典的循环途径有所不同，可能是细胞内一种新的循环机制 (Xu et al.,Nat Cell Biol)。

猕猴属的恒河猴和食蟹猴是生物医学研究中使用最为广泛的两种非人灵长类实验动物物种。已有研究利用体细胞核移植技术得到健康存活的食蟹猴，但恒河猴体细胞克隆时却都遇到了困难。陆发隆团队与合作者建立了囊胚期的滋养层细胞置换技术，解决了克隆胚胎胎盘发育异常问题，成功获得健康存活的体细胞克隆恒河猴。该研究在国际上首次成功利用体细胞核移植技术得到健康存活的恒河猴，为理解灵长类体细胞核移植重编程过程和推动构建精准遗传修饰的恒河猴模型奠定了基础 (Liao et al.,Nat Commun)。

基因编辑动物在生物科学和医学研究中发挥着至关重要的作用，近年来，随着基因编辑技术突飞猛进的发展，基因编辑动物的数量在过去十年间获得了急速的增长。然而，目前仍然缺乏对基因编辑动物数据的整理、汇总以及标准化分析，限制了研究人员深入挖掘和利用这些数据的能力。张永清团队与合作者从本实验室的基因编辑猴和基因编辑犬出发，同时收集、整理并分析了目前具有家系全基因组数据的相关数据集，构建了基因编辑动物新发突变数据库VDGE (https://ngdc.cncb.ac.cn/vdge)，首次实现了对基因编辑动物新发突变的标准化分析、整合和展示，为相关数据的深入挖掘和充分利用提供了一个综合的信息平台 (Shi et al.,Nucleic Acids Res)。

05 神经损伤与再生

脊髓损伤导致病变部位产生纤维瘢痕，通常被认为是神经再生的障碍。戴建武团队将单细胞测序和谱系示踪结合，系统分析脊髓损伤纤维瘢痕的细胞组成、分布、来源和功能。研究解析了脊髓损伤纤维瘢痕的细胞组成和来源异质性，回答了一个领域内长期争议的科学问题，并进一步阐明了不同来源纤维性瘢痕的分布和功能的差异，为针对不同纤维瘢痕特征进行特异性调控奠定理论基础 (图6)(Xue et al.,Nat Commun)。

图6 脊髓损伤后纤维瘢痕异质特征示意图

脊髓损伤对于成年哺乳动物来说是一种毁灭性打击，由于成体脊髓组织存在多种抑制再生因素，并且神经细胞再生能力弱，最终导致损伤后脊髓功能的丧失。戴建武团队利用多组学技术描绘了脊髓细胞外基质 (ECM) 随发育进程的动态变化，阐明了发育早期的脊髓ECM蛋白在调控脊髓神经干细胞和脊髓类器官中的重要作用。该研究工作从细胞外基质的角度阐释发育早期环境的重要作用，为促进组织再生提供了新思路 (Sun et al., Cell Stem Cell)。另外，戴建武团队全面总结了当前神经电磁刺激技术领域的研究进展，综述了该技术的基本机制、辅助神经电磁刺激的材料，以及这些材料在技术中的临床前应用，并展望了使用电磁刺激治疗神经系统疾病所面临的挑战和未来发展的趋势 (Sun et al.,Adv Mater)。

06 代谢与疾病

哺乳动物的生命起始于卵子和精子通过受精作用形成全能性的受精卵，经过一系列的细胞分裂、八细胞期的极化、以及随后的桑葚胚开始的谱系分化，形成囊胚。然而，脂质代谢对哺乳动物早期胚胎发育的调控作用还不清楚。税光厚团队与合作者开发了一种可同时满足低样本量和高覆盖率的靶向脂质组学方法，系统地描绘了小鼠和人早期胚胎脂质全景图，阐明了脂质不饱和度调控胚胎发育的功能与机制，为研究哺乳动物植入前胚胎发育中内源性脂质的重塑提供了宝贵的资源，并为脂质不饱和度调节胚胎发育和植入提供了机制上的新的见解 (图7) (Zhang et al.,Nat Cell Biol)。

图7 小鼠植入前胚胎发育的阶段特异性脂质组学特征

脂质支撑着包括对胎儿生长和发育至关重要的细胞信号传导等多种生理功能，既往关于母体和胎儿联系的脐带血研究没有关注出生时脂质分子对未来儿童代谢的深远影响。税光厚团队与合作者对152例母婴脐带血样本进行了鞘脂组学分析，揭示了脐带血神经酰胺在调控出生体重和儿童时期代谢健康方面的潜在作用机制，表明脐带血脂质水平对于预测儿童期糖脂代谢健康具有重要的预测价值，可为糖脂代谢生命早期干预提供一定的理论依据，具有重要的临床意义 (Zheng et al.,Natl Sci Rev)。

代谢功能障碍相关脂肪性肝病 (MASLD) 渐进且无症状，早期发现和干预机会少，迫切需要开发用于MASLD进展的有效诊断、分期和监测的微创工具。税光厚团队与合作者评估了血浆脂质组在区分轻度纤维化和非纤维化MASLD患者中的诊断效用，并报道了在MASLD纤维化中，低密度脂蛋白 (LDLs) 上的硫苷酯可通过激活不同的循环免疫细胞群来调节肝脏炎症级联反应 (Lam et al.,Cell Metab)。

肌萎缩侧索硬化症 (ALS) 是一种常见的神经退行性疾病，其发病原因和机制仍未彻底阐明。许执恒团队与合作者首次在散发型肌萎缩侧索硬化症 (渐冻症) 患者中发现一个全新的肌萎缩侧索硬化症 (ALS) 致病基因—PCDHA9；通过小鼠动物模型证实PCDHA9致病点突变可以导致典型的渐冻症表型；并对致病机制进行了深入解析。该研究为本病尤其是散发型患者的遗传咨询提供了新的证据，也可能为未来的治疗提供全新的靶点 (Zhong et al.,Nat Commun)。

颅咽管瘤是一种罕见但侵袭性较强的颅内肿瘤，对周围脑组织的侵袭性以及由此引发的严重内分泌和代谢并发症，给临床治疗带来了巨大挑战。吴青峰团队与合作者首次成功构建了两种自发性乳头型颅咽管瘤的动物模型，高度还原人类颅咽管瘤特征，填补了以往研究中缺乏精准动物模型的空白；利用高通量筛选从大量化合物中鉴定出包括苯磺酸氨氯地平在内的一系列具有潜在临床应用价值的抗肿瘤化合物；利用化学遗传学技术精准调控下丘脑内分泌神经元的电活性。该研究首次验证了下丘脑神经元活动对颅咽管瘤发展的双向调控作用，进一步深化了对肿瘤神经生物学机制的认识。这一发现不仅为颅咽管瘤的治疗开辟了新的药物开发方向，也为其他类型脑肿瘤治疗策略的探索提供了研究范式。这项研究也促使我们重新审视已有药物的潜在应用价值 (Li et al.,Sci Transl Med)。

07 农业资源与生态环境

尽管中国在磷肥过度使用和磷相关水污染方面存在众所周知的问题，但作物和畜牧业生产对中国超越磷 (P) 的地球边界的贡献仍不明确。马林团队和柏兆海团队通过在子流域尺度上使用耦合模型，估计从1980年到2017 年，畜牧业生产使磷肥消费量增加了五倍，磷损失加剧了两倍。目前，中国的农牧系统导致中国25个子流域磷肥使用量超过了所谓“合理”阈值30% (范围为17%至68%)，水质超过“安全”阈值45% (范围为31%至74%)。改善农牧系统将使所有子流域在2050年都保持在安全水质范围内，并将磷的使用控制在合理的多代限值内 (图8) (Liu et al.,Nat Food)。

图8 作物-畜牧生产系统中磷 (P) 流动示意图及其对安全合理的磷行星边界的影响

农田长期过量施用氮肥，使土壤剖面中硝酸盐累积风险增加。包气带既是硝酸盐淋失的通道，也是其消减和转化的场所，其中反硝化微生物能将硝酸盐转为气态氮排出。刘彬彬团队和胡春胜团队利用稳定性同位素示踪技术结合扩增子测序、功能基因定量技术，研究了华北平原集约化农业地区0–9 m土壤剖面异养反硝化微生物，利用宏基因组与高通量分离培养及鉴定技术相结合的方法，研究了其中反硝化细菌的种类及功能。研究结果表明，表层土壤和深层环境样品的活性反硝化微生物类群和功能存在差异；发现了86个无法鉴定到种水平的反硝化细菌基因组；构建了深层包气带反硝化细菌资源库，并筛选出两株属于Pseudomonas属的高效反硝化菌株。本研究加深了对厚包气带反硝化微生物组成和功能的认识，为开发减少地下水硝酸盐污染的淋失阻控技术提供了新的依据 (Zhang et al.,Environ Sci Technol)。

中国对牲畜饲料，尤其是富含蛋白质的饲料的进口，给全球环境可持续性带来了挑战。要在不突破环境界限的前提下实现中国食物和饲料的蛋白质自给自足，需要综合措施以及对中国食物系统的优化。马林团队与合作者提出整体食物系统创新策略，该策略由技术创新、空间综合规划和需求侧方案三个部分组成，以降低对蛋白质进口的依赖，并促进全球环境可持续性。研究发现，食物系统创新能够填补近80%的中国未来蛋白质缺口，同时减少57%-85%因农产品进口而产生的环境影响。与2050年的基准情景相比，实施这些创新措施还将减少22%-27%的温室气体排放，以及减少73%-81%人类对氨的有害暴露。技术创新在填补蛋白质缺口方面发挥着关键作用，而作物-牲畜空间综合规划对于实现环境和健康目标至关重要 (Zhao et al.,Nat Food)。

二、关键技术与方法创新

现代作物育种正迈入全新的基因组设计时代，以基因组编辑技术为主流的基因组靶向修饰工具引领了作物育种方式的颠覆性变革和作物育种效率的大幅提升。高彩霞团队长期致力于基因组编辑技术的自主创新，在精准基因组编辑技术研发、作物基因组编辑育种方法以及种质创新方面取得了系列成果。研究团队开发了适合不同场景的基于环状RNA的引导编辑系统CPEs (circular RNA-mediated prime editors)，高效实现双基因、三基因甚至四基因的引导编辑，几乎没有检测到脱靶效应。这种低脱靶效应、高编辑效率的CPE系统为利用各种核酸酶开发为新型引导编辑系统提供了通用范式，在生物研究、疾病治疗和作物育种等多场景中将发挥巨大的潜力 (图9) (Liang et al.,Nat Biotechnol)。高彩霞团队综述了各类基因组编辑技术的基本原理和优化策略，系统介绍了植物基因组编辑中使用的递送方法，全面展示了以基因组编辑技术为代表的基因组靶向修饰工具在现代作物育种中的变革性作用；讨论了基因组编辑技术未来的研究方向，展望了对植物基因组进行精准靶向修饰的多样化场景，并探讨了基因组编辑作物在应用中可能面临的问题 (Li et al.,Nat Rev Genet)。

图9 基于环状RNA开发的CRISPR-Cas12a引导编辑系统

针对高温逆境导致的番茄落花落果、品质低下，水稻秃尖、瘪壳等引起主要粮食和蔬菜作物大幅减产的农业生产实际问题，许操团队基于植物生理学经典的源库理论，展开深入探索，发布了“环境智能型高产-稳产作物设计育种新策略CROCS (Climate-responsive optimization of carbon partitioning to sinks)”。团队发现高温抑制碳同化物从源器官向库器官分配，关键在于细胞壁蔗糖转化酶表达受抑。为此，团队突破高效基因敲入技术，自主改造引导编辑器，精准敲入热响应元件到番茄内源基因启动子靶向区，使番茄在正常农业生产条件下和高温逆境下产量大增和挽回损失，果实品质也显著提高；通过关键技术拓展，研究团队进一步在水稻中也得到了同样结果。这种CROCS环境智能育种全新策略建立了包括顺式调控元件筛选、靶向位点选择、瞬时表达验证、基因编辑器改造、种质测产与性状评价等一系列方法在内的不同作物通用的高产稳产快速育种技术体系，首次在主要粮食和蔬菜作物中同时实现了“顺境增产，逆境稳产”环境智能型作物种质的快速创制，开启了环境智能型(Climate-smart) 高产稳产作物设计的新时代 (Lou et al.,Cell)。

面对杂草对农业生产带来的威胁以及入侵植物所导致的环境危机等多样化挑战，对野生植物进行群体水平上的基因控制已经成为一种潜力巨大且具有革命性的策略。钱文峰团队在植物中成功开发了一种名为CAIN(CRISPR-Assisted Inheritance utilizing NPG1) 的基因驱动系统，在连续两个人工杂交世代中表现出了显著的高效遗传 (88%-99%) 。CAIN的成功开发有望为控制杂草数量以及保护植物多样性等方面提供技术支持，用于未来快速改良或抑制野生植物群体，为应对农业和生态挑战开辟了新的方向 (Liu et al.,Nat Plants)。

金纳米颗粒 (AuNPs) 是一种贵金属纳米材料，具有独特的理化特性、易于功能化修饰和良好的生物相容性等优势，已广泛应用在生物传感、生物成像、疾病诊断、癌症治疗等诸多领域。降雨强团队与合作者发明了一种简便的光化学路线，用于制备表面包被2-正己基硫基-1,3,4-噻二唑-5-硫醇(HTT)的发光性能优异的发光金纳米颗粒。它们显示出优异的光稳定性和高效的线粒体靶向性，成功实现了高质量的线粒体靶向双光子激发发光 (TPEL) 成像、深层组织时间门控 (time-gated) 延时成像和活体计算机断层扫描 (CT) 成像，为高性能发光金纳米颗粒的简易合成铺平了道路，使其能广泛应用于生物成像领域 (Yang et al.,Adv Compos Hybrid Mater)。

三、重大产品创制

白粉病是小麦三大病害之一，我国每年感染面积高达1亿亩以上。高彩霞团队与合作者通过多重基因组编辑对小麦白粉病感病基因MLO等位实现精准“改写”，快速获得了广谱抗白粉病且高产的新种质。小麦新种质于2024年获批农业基因编辑生物安全证书，是国内首个获得基因编辑生产应用安全证书的口粮作物。

我国双季早稻品种均为早籼稻，双季早粳品种在我国水稻生产中一直处于空白。李家洋团队通过分子设计育种技术选育的“中科发早粳1号”实现了双季早粳稻“零的突破”，是品种选育从随机选择引领到精准选育的重大成果。“中科发早粳1号”和“中科发早粳23”于2024年通过国家初审，将成为我国最先可以商业化种植的双季早粳稻品种，为主粮供应“端上第一碗饭”。“中科发”系列品种2024年度在东北地区推广800多万亩，累计推广2450万亩。先导型水稻品种“中科发5号”入选农业农村部推介的2024年农业主导品种、荣获第五届全国优质稻品种食味品质鉴评 (粳稻) 金奖。

近年，小麦赤霉病在我国偏重流行，韩方普团队创制的抗赤霉病高产国审小麦新品种“中科166”，在大田生产中抗赤霉病效果显著，2024年度最高亩产达810.2公斤，年度推广112万亩；团队创制的高抗赤霉病新品系“中科163”和“中科163A”在国家小麦育种联合攻关广适性品种试验中表现突出，其籽粒中真菌毒素含量远低于高抗赤霉病对照品种，大幅降低了食品加工中的毒素风险，为消费者健康提供了更安全的保障。刘志勇团队创制的适宜黄淮小麦主产区种植高产多抗小麦新品种“科麦1609”，于2024年6月通过国家审定，生产上比全国小麦十大主推品种之一“周麦36号”增产4.3%。为黄淮小麦主产区增产稳产和减少病害防控投入提供优质种源支撑，为消费者健康提供了更安全的保障。

胡赞民团队研发的甘蓝型油菜新种质“bgr”配制的“中科油”新品系具有株型紧凑、抗倒伏、高产等优良农艺性状，单位面积产量242.00公斤/亩，比对照增产33.1%。突破了传统油菜品种易倒伏、产量低等瓶颈，成果落地四川凉山彝族自治区，为乡村经济发展科技赋能。

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来源：昕樾聊科学