植物基因工程技术创新：从多重编辑到自动化平台的突破与应用

本综述系统梳理了植物基因工程领域的最新技术进展，涵盖多重基因编辑（Multiplex Editing）、病毒载体递送（如BSMV和FoMV）、超紧凑Cas蛋白（如Cas12j-8）及自动化平台（FAST-PB）等核心方向。文章重点探讨了这些技术如何克服作物抗旱性改良、单子叶植物转化效率低、载体尺寸限制及规模化生产等瓶颈，为应对全球粮食安全与气候变化挑战提供前沿解决方案。

　　

1. 基因工程导论

多年來，科學家持續開發植物基因工程技術，以實現作物增產、抗病抗蟲或藥物生產等目標。相較於傳統育種，基因工程能直接編輯植物基因組，分為基因修飾（插入外源基因）和基因編輯（刪除、插入或修改現有DNA）兩類。然而當前技術仍面臨多重挑戰：CRISPR-Cas9系統中Cas9蛋白體積過大，影響病毒載體遞送效率；多倍體植物的同源基因（Homeoforms）需同步編輯；且需開發適應不同物種的新型遞送方案。為此，研究人員正基於CRISPR技術開發同步靶向多基因、in planta（植物體內）遞送、小型化載體系統及自動化流程等創新策略。

2. 多重編輯系統：同步靶向多基因位點

小麥作為全球重要糧食作物，其基因組複雜（六倍體），且需同時編輯多個同源基因。研究發現，Sal1基因編碼的3′(2′),5′-雙磷酸核苷酶被破壞後，可導致單磷酸3′磷酸腺苷5′磷酸（PAP）積累，從而觸發抗旱保護機制。科學家利用CRISPR-Cas9與多重sgRNA系統，在Giza168小麥品系中同步編輯5個活性TaSal1同源基因。結果顯示，41個轉基因株系中成功實現至少一個同源基因編輯，其中5株實現全部五個基因敲除。突變體表現出氣孔關閉、泡狀細胞增大等抗旱表型，且在聚乙二醇模擬乾旱條件下生長優於對照組。該系統效率與單基因編輯相當，證實了多重編輯在作物抗逆性改良中的應用潛力。

3. 開發病毒載體實現in planta基因編輯遞送

傳統in vitro（體外）組織培養技術受限於物種適用性，例如高粱缺乏可靠培養方案。為此，研究人員探索利用植物RNA病毒載體（如BSMV和FoMV）直接遞送編輯元件至植物體內。FoMV載體成功攜帶AmCyan熒光蛋白和sgRNA感染高粱，並在Cas9過表達株系中實現了MgCh、Lw1和PDS等基因的編輯，引發可見表型變化。儘管BSMV載體未能有效表達，FoMV展現出在單子葉植物中進行病毒誘導基因編輯（VIGE）的可行性，為無需組織培養的基因編輯提供了新路徑。

4. 超緊湊Cas蛋白：小型化編輯工具

Cas蛋白的大尺寸限制其遞送效率，尤其在使用病毒載體時。研究人員從噬菌體中鑑定出僅由700–800個氨基酸組成的緊湊型Cas12j系統，其尺寸僅為Cas9的一半。初始測試中，Cas12j-8在大豆中編輯效率低下，僅在10個靶點中的2個產生小片段缺失。通過優化crRNA（添加自切割核酶HDV ribozyme，稱為crRNA-Rz）及改造Cas12j-8（引入第121和196位點穀氨酰胺突變，生成en4Cas12j-8變體），編輯效率提升2.1倍。優化後的en4Cas12j-8/crRNA-Rz系統在大豆和水稻中展現出與SpCas9相當的編輯效率，且高於Cas12j-2變體。

5. 整合自動化加速植物生物工程

植物生物工程過程耗時且結果不確定，需規模化以滿足需求。FAST-PB平台整合機器人、高通量儀器與生物信息學，實現設計-構建-測試-學習循環自動化。該平台基於iBioFAB實驗室，包含質粒設計、玉米癒傷組織轉化、原生質體分離轉染及脂質譜分析等模塊。通過基質輔助激光解吸電離傅里葉變換離子迴旋共振質譜（MALDI-FTICR-MS）進行單細胞脂質分析，成功再生具有目標脂質譜的完整玉米植株。儘管仍需部分人工操作，FAST-PB為自動化植物再生與工程奠定了基礎。

6. 現狀與未來方向

面對2050年全球97億人口、氣候變化及疾病威脅，作物產量與品質需持續提升。基因工程技術需在倫理與安全框架下發展，同時需關注農業過度工業化及動物基因編輯的福利問題。當前技術多處於實驗室微觀尺度，但FAST-PB等規模化平台正逐步推動基因編輯作物走向市場，美國、日本等國已加強政府監管與法規制定。這些技術的精進將為作物生產與藥物應用提供更高效、精准的解決方案。