搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第142期，对话北京大学现代农业研究院植物基因组编辑实验室主任、研究员张华伟。

嘉宾简介：

张华伟，北京大学现代农业研究院植物基因组编辑实验室主任、研究员。2020年获山东省杰出青年基金、泰山学者青年基金，2021年获国务院特殊津贴。研究方向为植物基因组编辑。

划重点：

1.“榫卯连接系统”像拼装积木一样，将特定的DNA片段精准、完整地“安装”到水稻基因组的指定位置，同时不留痕迹。

2.基因编辑工具就像光刻机一样，如果被“卡脖子”，什么也做不了。未来想把它全部国产化，建立一个真正有自主知识产权的基因编辑生态系统。

出品 | 搜狐科技

作者 | 周锦童

编辑 | 杨锦

我们吃米饭的时候，可能很少想到，这背后藏着一场关乎国家粮食安全的科技竞赛。

如何让作物更抗旱、更抗病、产量更高？科学家们一直在寻找更精准的方式“修改”植物的基因密码。然而，长期以来，我国的精准基因编辑技术却一直依赖国外工具先导编辑系统（prime editor，简称PE），这也成为我国农业生物育种自主创新路上的“卡脖子”难题。

不过最近，这个难题被我国科学家联手攻克了。

北京大学现代农业研究院张华伟团队与中国科学院遗传与发育生物学研究所、崖州湾国家实验室的李家洋院士团队合作，开发出了一种全新的基因编辑策略，并将其巧妙地命名为 “榫卯连接系统”（Mortise-Tenon joint，简称MT），目前该成果已在Molecular Plant杂志上发表。

这项技术是如何诞生的？它又会给未来农业带来怎样的影响？带着这些问题，搜狐科技对话了北京大学现代农业研究院植物基因组编辑实验室主任张华伟研究员。

像拼装积木一样拼装DNA

一见到搜狐科技，张华伟就马上拿出了电脑，打开了他精心准备的PPT，展示着图片和动画。

“你看，它就像中国传统木工中，榫头和卯眼通过精确的凹凸结构牢固结合一样，这套新系统能像拼装积木一样，将特定的DNA片段精准、完整地‘安装’到水稻基因组的指定位置，同时不留痕迹。”

“当时我也不知道起什么名字好，但觉得这个名字很有中国智慧，起了这个名字我们中国人肯定一下就理解了。”张华伟回忆到。

张华伟供图

虽然这项研究此前没有太多的参考，但张华伟称这个系统是依托了遗传发育所高彩霞老师团队此前开发的AFID系统（APOBEC-Cas9-UDG/AP lyase融合系统）。

“我们在水稻基因组目标位点制造出特殊的DSB结构，就像卯眼，这种结构具有单端或双端非互补的5'- 突出端（粘性末端），这种非对称断裂方式为定向插入提供了精准的接口。”张华伟如是说。

光有“卯眼”还不够，之后他们又迅速合成了双链DNA供体作为“榫头”。通过图片可以看到，供体的两端带有与“卯眼”完全互补的5'-粘性末端，通过5'-磷酸化修饰促进连接反应，同时在两端引入硫代磷酸酯键提升其在细胞内的稳定性，确保供体不被过早降解。

通过“卯眼”与“榫头”的粘性末端互补配对及连接，MT系统可实现DNA片段的定向精准插入。不仅如此，如果设计两对PAM-in方向的sgRNA制造双“卯眼”，搭配双5’-粘性末端供体，还能完成精准的片段替换。

张华伟供图

而这种“精准配对、定向整合”的机制，正是MT系统突破传统技术瓶颈的核心所在。

“比如有A材料和B材料，我想把A材料中的性状导入B材料，传统的方法要先做杂交，再做回交等等，而基因编辑的好处就是我知道A为什么好，我可以在B中直接按照A里的情况进行改造，这是最直接的方案。虽然现在PE也能做到这些，但毕竟还是有专利上的一些限制。”张华伟举例道。

那么“榫卯系统”最有望率先应用于改良哪些复杂性状呢？

张华伟解释说：“基因在一起串成一个cluster（基因簇），然后把整体的cluster导入一个点位就能产生抗病性，这是对基因进行精准编辑产生抗病性的情况，现在就可以实现，虽然我们现在最长的编辑片段只有85bp，并不算高，但等长片段做出来后，就可以进行长片段导入。”

“甚至以后我们发现某个基因改造起来比较复杂，可以把这个基因重写一遍，然后去替换掉以前的。”张华伟补充道。

部分解决了基因编辑育种“卡脖子”问题

张华伟称，主流的基因编辑技术经历了三个清晰的里程碑阶段。第一个阶段是CRISPR-Cas9系统的工具化，它取代了早期的技术，使基因剪刀变得易于设计和高效。

第二阶段是碱基编辑器，它能不依赖同源重组而高效实现特定类型的单碱基突变，但精准度不足，还无法做到“指哪改哪”。第三个阶段就是先导编辑器，它能根据提供的模板进行真正的“写入式”编辑，也这代表了当前最前沿的精准编辑能力。

不过，张华伟称在追求精准编辑的进程中，我们国家还面临着双重挑战。在技术层面，尤其在植物领域，许多形式的精准编辑效率依然很低，形成了一个关键的技术瓶颈。

而在知识产权层面，最先进的精准编辑技术核心专利被国外掌控，构成了“卡脖子”的风险，这限制了我们的研发自由和应用空间。

“所以我们决定不完全跟随和挑战现有的‘写入’式编辑专利体系，而是开辟一条全新的‘插入’式技术路径，我们不执着于原位修改基因序列，而是转向将预先设计好的完整功能基因模块，精准地整合到基因组的特定位置。”张华伟如是说。

通过实验也可以看出，DNA插入与替换的效率最高可达59.47%，表现十分优异。张华伟称这是非常高的效率，以前大家都是用双链切割，然后再同源重组，效率可能达不到1%。

不仅如此，“精准、无瘢痕”也是精准基因编辑中重要的一环，而研究在确保编辑产物“干净”、不留下额外DNA“疤痕”方面也表现得非常出色。

“不留疤痕有两个层次，我们现在只做一个层次，就是在修复的位置做到了没有疤痕，但是因为是用基因枪打进去的，里面还会散落一些碎片到其他地方，只能靠后台分离才能分离掉，这也是我们现在的一个缺点，后续可能会在递送方式上进行改变，把这个缺点去除掉。”张华伟解释道。

作为PE工具的高效替代技术，这项技术也为攻克基因编辑育种“卡脖子”问题提供了关键利器。

对此，张华伟表示：“PE是绕不开的专利，但我觉得我们没有完全解决‘卡脖子’的问题，只是部分解决，在基因编辑领域中，我们解决了最难做的框架层次问题，但中间的一些元件还是非国产的，我们想进一步把它剔除掉换成自己的，这种基因编辑工具就像光刻机一样，如果被‘卡脖子’什么也做不了。”

未来要建立一个有自主知识产权的基因编辑生态系统

张华伟用“如释重负”这四个字来形容系统开发出来后的心情。

“说实话当时看到效率达到几十的时候真的开心，觉得终于做出来了，但这就是个实验过程，文章被接收的时候不是最开心的时候，只会觉得如释重负。我们花了五年的时间，有很多节点都觉得做不下去了，我头发都掉了三分之一。”张华伟自嘲道。

过去5年里，张华伟和李家洋团队研究了不少于15万株水稻的组培苗，在人力、物力、财力方面都付出了很多，“因为前两三年完全没有数据，是非常痛苦的，感觉怎么做都失败。”

在张华伟看来，做成这件事情首先是要有情怀，当时没有数据，可能很多人不会选择坐“冷板凳”，而是去发文章、拿基金、拿荣誉；而且做出来之后，也会有人把这个系统跟PE比，看看哪个更先进，这也许是不公平的事情。

这背后，还要有单位和院里的支撑，这个项目是北京大学和山东省政府一起合建的，给了他和团队自由探索的空间和资金支持。

“我们和李家洋老师团队的合作非常愉快，但还需要更多人的支持。因为我们没有转化体系，所以希望后面可以跟做玉米、小麦、大豆的课题组进行合作，对技术本身和递送方式进行优化。”张华伟如是说。

谈及还需要多久能够商品化，张华伟坦诚地回答：“不知道。”一是要看技术的成熟度和发展的快慢，二是要看国家的政策，虽然植物的基因编辑不存在伦理或者法律问题，但还要看什么时候才会对基因编辑的品种放开。

“所以产业化是后续的问题，我们下一步的计划是要围绕系统的缺点进行改进，把它做成能让育种家、育种公司用的系统，还想把它全部国产化，建立一个真正有自主知识产权的基因编辑生态系统。”张华伟如是说。