科学通报 | 西南大学张勇教授团队综述植物启动子编辑技术助力作物分子育种研究进展

近日，西南大学张勇教授团队在《科学通报》生物与信息技术赋能现代农业绿色发展专辑发表题为“植物启动子编辑技术助力作物分子育种”的评述文章，系统梳理了植物启动子编辑领域从“随机突变”到“理性设计”的技术进展。该综述围绕CRISPR-Cas工具箱的适配优化、深度学习驱动的顺式调控元件智能解析、多元化编辑策略以及在水稻、玉米、番茄、棉花等主要作物中的应用实践进行了全面阐述，并展望了AI赋能合成启动子设计与多基因协同调控网络重塑的未来方向，为作物智能设计分子育种提供了前瞻性参考。

随着全球人口持续增长与气候变化加剧，如何高效、精准地改良作物农艺性状成为保障粮食安全的核心命题。当前基因编辑育种主要依赖对蛋白质编码基因（CDS）的直接敲除——通过产生移码突变使目标基因功能丧失。然而，许多控制产量、株型和抗逆性的关键基因具有多效性：完全敲除虽能改良某一性状，却常伴随生长迟缓、育性下降甚至致死等严重副作用。如何在“保留基因基本功能”与“优化目标性状”之间实现平衡，成为基因编辑赋能分子育种实践中亟待突破的瓶颈。

植物基因启动子是决定基因“何时、何地、表达多少”的核心开关。与破坏基因编码区的基因敲除编辑不同，对启动子区域进行编辑，如同为基因安装了一个“无级调节旋钮”——通过破坏或重构特定的顺式调控元件，科研人员可以实现对目标基因表达水平的“微调”（fine-tuning），在保留基因基本功能的同时优化特定性状。这一策略为创制连续的数量性状变异开辟了全新路径（图1）。然而，启动子编辑天然面临三大挑战：其一，启动子富含A-T碱基，限制了主流编辑工具SpyCas9的应用；其二，顺式调控元件高度冗余，单核苷酸点突变常难产生显著表型；其三，启动子区域的“闭合”染色质状态阻碍编辑工具识别与切割。

图1 启动子编辑在作物育种中的应用实践

针对上述挑战，研究者从四个层面取得了系统性突破。在工具层面，一批新型CRISPR-Cas核酸酶被相继开发：SpRY等“近无PAM限制”变体消除了序列偏好，Cas12a及其变体Mb3Cas12a凭借识别富T序列的天然优势成为启动子编辑利器，增强型外切酶-Cas9系统和引导编辑（Prime Editing）等技术则实现了大片段高效删除与精准碱基替换等，而基于dCas9融合的表观编辑工具可在不改变DNA序列的前提下定向修饰启动子区域的甲基化与组蛋白标记。在理性设计层面，深度学习技术正从根本上重塑启动子编辑的研究范式——从基于CNN的转录因子结合位点预测、DenseNet架构的启动子活性评估，到Enformer模型的远端增强子-启动子互作解析，AI模型使研究者能够在计算机中完成“饱和突变模拟”和“定向进化筛选”，大幅降低试错成本。在策略层面，当前的编辑模式已从单一的点突变拓展为随机突变、精准敲除、精准修饰、表观调控和基因组结构重塑五大并行策略（图2），可满足不同性状改良对表达调控梯度与精度的差异化需求。在应用层面，该技术在作物产量品质协同提升、广谱抗病性创制以及气候适应性驯化等方面不断取得突破：精准截短水稻OsIPA1启动子成功解除了“穗粒数-分蘖数”的负相关，显著提升单株产量；编辑水稻RBL1启动子赋予其稻瘟病、白叶枯病及纹枯病的广谱抗性却不影响产量，证实了通过启动子工程平衡“免疫-生长”权衡的可行性；在棉花中删除热响应顺式元件则成功创制了耐高温且育性正常的新种质。

图2 植物启动子编辑策略的多元化革新

展望未来，文章指出，启动子编辑的终极目标是实现从“经验试错”到“精准预测”的全流程理性设计。随着合成生物学的兴起，基于AI解构顺式调控逻辑、提取高活性核心基序并规避隐蔽抑制元件的“智能合成启动子”，有望实现作物性状的“按需定制”。与此同时，多启动子协同编辑与表观调控的深度融合，将为重塑复杂基因网络、攻克多效性基因“顾此失彼”的育种难题提供全新方案。

西南大学生命科学学院、西部（重庆）科学城种质创制大科学中心张勇教授团队黄钰研究员为论文第一作者，唐旭研究员参与了文献整理与稿件修订工作，张勇教授为通讯作者。相关研究得到了国家自然科学基金（32502464和32471542）的资助。

文章信息

黄钰，唐旭，张勇. 植物启动子编辑技术助力作物分子育种. 科学通报, 2026.

https://www.sciengine.com/doi/10.1360/CSB-2026-0197.

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