综述：植物多基因工程技术、应用及未来展望

这篇综述系统阐述了植物多基因工程（MGE）在合成生物学驱动的设计-构建-测试-学习（DBTL）框架下的技术进展，重点介绍了基因构建设计（如CRISPR-Combo系统）、组装方法（Golden Gate/Gibson Assembly）、转化策略（农杆菌/基因枪）及在生物经济中的应用（生物强化/代谢工程），为可持续农业和精准育种提供了关键技术路线。

　　

植物多基因工程：解锁生物经济的钥匙

当前技术格局

随着全球人口增长和气候变化加剧，传统单基因改造和杂交育种已无法满足复杂性状（如干旱耐受、氮利用效率）的需求。多基因工程（MGE）通过同时调控多个基因（过表达/敲除/编辑）成为解决这一瓶颈的核心技术。CRISPR-Combo等创新工具实现了基因组编辑与基因激活的同步操作，而Golden Gate组装系统则使12个基因模块的精准拼接成为可能。

关键技术突破

在DBTL框架下，MGE技术呈现四大革新：

1. 1.

   设计阶段：双向启动子与自切割2A肽（如T2A）实现多基因共表达，玉米中利用P2R5SGPA启动子驱动4个花青素基因使籽粒呈现紫色；

2. 2.

   构建阶段：分裂标记系统（intein介导的Kan^N/Kan^C重组）实现无载体骨架转化，在拟南芥中成功叠加eYGFPuv和RUBY报告基因；

3. 3.

   测试阶段：单细胞多组学（scRNA-seq/scChIP-seq）揭示转基因玉米干旱响应转录因子DREB1A的调控网络；

4. 4.

   学习阶段：AutoGluon-Tabular机器学习模型分析20,000个mRNA数据集，预测启动子-终止子组合可使基因表达量差异达326倍。

应用前沿

典型案例包括：

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  黄金水稻2.0：通过psy+crtI双基因叠加使β-胡萝卜素含量提升至37 μg/g；

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  木质素工程：杨树中CRISPR编辑6个苯丙烷途径基因（PtrC3H3/PtrAldOMT2等），木质素降低51%；

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  疫苗佐剂生产：本氏烟中表达68个基因合成QS-21佐剂；

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  光合增效：大豆转入VDE/PsbS/ZEP三基因组合使产量提升33%。

挑战与机遇

现存障碍包括：

1. 1.

   转化效率：>20 kb大片段在农杆菌中稳定性差（PrimeRoot系统实现11.1 kb精准插入）；

2. 2.

   基因互作：番茄18个糖转运蛋白基因共表达仅增产23%，揭示代谢通量平衡的重要性；

3. 3.

   监管壁垒：多基因叠加作物需额外评估代谢物互作（如DNA-free编辑系统通过RUBY标记实现可视化筛选）。

未来方向聚焦合成染色体构建、AI驱动的启动子设计（如DeepPromoter预测组织特异性表达），以及新型生物传感器开发（如核糖开关RNA传感器实时监测基因表达）。这些突破将推动植物从单一性状改良迈向系统级重编程，为碳中和与粮食安全提供创新解决方案。