“不用一颗钉子，仅凭榫头与卯眼的精准契合，就能让建筑稳立千年。”这一传承千年的中国古建筑榫卯智慧，如今在作物基因编辑领域再现光芒。11月18日，北京大学现代农业研究院张华伟研究员团队和中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室李家洋院士团队在国际知名期刊《Molecular Plant》发表的一项研究，让源于中国古建筑的榫卯智慧，成为破解作物育种“卡脖子”难题的关键密码。

  在农业育种领域，精准、无瘢痕的DNA片段插入与替换，是培育高产、抗逆、优质作物品种的核心技术，直接关系到国家粮食安全。长期以来，我国精准基因编辑技术高度依赖国外先导编辑系统（prime editor），核心工具的“受制于人”成为制约农业自主创新的突出瓶颈。“就像盖房子没有合适的建筑工具，即使有好的设计方案也难以高效实施。”张华伟介绍，除先导编辑系统之外，当前主流基因编辑技术实施精准编辑要么效率低，要么精准度不足，难以满足育种实践的迫切需求。

  古法新用，构建DNA层面的“榫卯结构”

  “传统木工通过榫头与卯眼的精准咬合实现木料拼接，我们将这一智慧应用到分子层面，让DNA片段实现‘严丝合缝’的定向整合。”张华伟介绍，MT系统的核心设计思路，就是打造一对“分子级榫卯”，解决传统技术效率低、容易留下多余片段的难题。

  要实现这种精准拼接，第一步是打造“基因卯眼”。研究团队借助张华伟研究员在中国科学院遗传发育所高彩霞团队参与开发的AFID系统，在水稻DNA的目标位置“剪”出一个特殊切口。这个切口不像普通剪刀剪出来的平整断面，而是带有一段向外突出的“小尾巴”，就像卯眼边缘预留的凹槽，为后续拼接提供了精准的“对接位”。

MT系统原理示意图

  有了“卯眼”，还要搭配量身定制的“基因榫头”——这是一段在实验室里合成的DNA片段。研究人员为这段DNA两端也设计了“小尾巴”，而且这段“尾巴”的长度、结构和“卯眼”上的完全匹配，就像榫头的凸起刚好能卡进卯眼的凹槽；同时还会给“榫头”做两层“保护”：一层让它更容易和“卯眼”粘在一起，另一层防止它在细胞里被提前“破坏”，确保拼接时是完整无损的，能正常发挥作用。

  当“榫头”和“卯眼”的“小尾巴”精准对接后，就能实现DNA片段的定向插入。如果需要替换一段DNA，研究人员会在需要替换的DNA两端各“剪”一个“卯眼”，再准备一段两端带“小尾巴”的新DNA作为“双榫头”，这样就能把旧片段替换成新片段。整个过程无任何冗余序列残留，真正实现“无瘢痕编辑”，彻底突破传统技术瓶颈。

  多位点实验验证，效率与精准度双突破

  为全面验证MT系统性能，科研团队在水稻多个关键基因位点开展实验，结果显示该系统在编辑效率与精准度上均实现显著突破。

  在单TC基序靶点测试中，针对GRF1基因位点插入21 bp miR156识别序列时，MT系统中MT2类型的精准插入效率达29.04%，是传统Cas9系统（6.83%）的4倍以上，且没有出现反向插入的情况；在NRT1.1B、ACTIN1等基因位点的测试中，MT2系统精准插入效率分别达28.13%、16.46%，较传统Cas9系统提升1.66至6.10倍，其中ACTIN1基因与3×Flag标签的融合蛋白经检测可正常发挥作用。

  在多TC基序靶点测试中，针对含3个TC基序的IPA1基因位点插入21 bp miR396识别序列时，当“榫头”的“小尾巴”长度为8nt，MT2系统正向插入效率达83.54%，精准插入效率峰值高达59.47%，是传统Cas9系统（最高11.09%）的7倍以上；在含2个TC基序的SLR1基因位点插入64 bp翻译增强子后，精准插入效率达33.63%，且编辑后的水稻株高明显降低，SLR1蛋白含量提升，证明编辑后的基因能正常发挥作用。

  在片段替换实验中，传统Cas9系统在NRT1.1B、D53等基因位点没能实现有效替换，而MT2系统在NRT1.1B位点精准替换效率达21.9%，在D53位点达27.13%，编辑后的水稻都表现出预期的优良性状，且没有留下多余片段，性能优势十分明显。

  自主创新，为粮食安全筑牢技术根基

  “MT系统的研发成功，为我国作物育种提供了具有完全自主知识产权的核心底盘技术工具。”李家洋院士表示，该系统不仅实现了高效、精准的基因编辑，更有望突破大片段基因编辑技术难题，为作物功能基因研究、优良性状快速导入提供全新解决方案。

  据了解，MT系统未来有望广泛应用于水稻、小麦、玉米等主粮作物及经济作物的育种实践，在抗病、抗逆、品质改良等性状培育中具有广阔前景。随着长片段“榫头”制备技术的进一步优化，该系统未来可实现更大片段DNA的精准插入与替换，为解决作物复杂性状改良、合成生物学元件整合等行业难题提供新路径。

  中国农业大学赖锦盛教授认为，这一创新性巧妙设计兼具“精准性”与“高效性”双重优势，也为大片段编辑提供了可行路径——未来只需优化带有互补粘性末端的长片段供体制备技术，即可实现基因组大片段的精准插入与替换，为攻克复杂性状改良难题奠定基础。

  中国科学院院士钱前指出，这一系统的建立将有助于在育种实践中，赋能主粮、经济作物的性状改良，加速高产、优质、抗逆新品种培育，助力破解“抗逆必减产”等行业困局。更重要的是，MT系统的自主知识产权属性，将推动我国精准编辑领域从“技术引进”向“自主创新”转型，增强在全球种业竞争中的话语权，为保障国家种源安全提供核心技术支撑，彰显了传统智慧与现代科技融合的创新力量。（光明网记者宋雅娟）