本科生一作第一發(fā)Top綜述

2026年3月，魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院本科生孫新迪作為共同第一作者排名第一在《BMC Plant biology》(2 TOP, IF=4.8)上發(fā)表了題為 "Systematic synthesis of CRISPR/Cas applications forenhancing salt tolerance in crops: a decade of progress and challenges" 的學(xué)術(shù)論文，魯東大學(xué)為論文第一署名單位和通訊單位。

土壤鹽漬化已成為威脅全球糧食安全的首要非生物脅迫之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球20%以上的灌溉農(nóng)田受鹽害影響，若趨勢(shì)持續(xù)，到2050年全球超半數(shù)耕地將面臨鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)育種與轉(zhuǎn)基因技術(shù)在作物耐鹽性改良中存在周期長、特異性差、 regulatory門檻高等局限，而CRISPR/Cas基因組編輯技術(shù)的出現(xiàn)，為精準(zhǔn)改良作物耐鹽性狀提供了全新路徑。

這項(xiàng)綜述整合了2015-2024年間83項(xiàng)同行評(píng)審研究，系統(tǒng)剖析了CRISPR/Cas技術(shù)在水稻、小麥、玉米、高粱、大麥五大作物耐鹽性改良中的應(yīng)用進(jìn)展、技術(shù)瓶頸與優(yōu)化策略，為該領(lǐng)域的后續(xù)研究與田間應(yīng)用提供了重要的理論與實(shí)踐支撐。

該研究的核心價(jià)值在于，突破了單一研究的局限性，通過系統(tǒng)性整合與數(shù)據(jù)分析，首次明確了CRISPR/Cas技術(shù)在作物耐鹽改良中的應(yīng)用規(guī)律、核心瓶頸及解決方案，填補(bǔ)了該領(lǐng)域缺乏系統(tǒng)性總結(jié)的空白。

研究團(tuán)隊(duì)通過嚴(yán)格的文獻(xiàn)篩選，聚焦采用CRISPR/Cas技術(shù)、明確關(guān)聯(lián)耐鹽生理機(jī)制且提供定量表型數(shù)據(jù)的研究，從基因編輯策略、生理機(jī)制、技術(shù)瓶頸、表觀遺傳調(diào)控等多個(gè)維度，開展了全面的整合分析。

在編輯策略的演進(jìn)方面，研究清晰呈現(xiàn)了從“單基因編輯”到“多重編輯”的發(fā)展趨勢(shì)。早期研究多聚焦于單一耐鹽相關(guān)基因的編輯，如離子穩(wěn)態(tài)調(diào)控基因SOS1、HKT1;5等，這類編輯雖能在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)30%-50%的Na?排斥效率，但在田間環(huán)境中往往難以實(shí)現(xiàn)顯著的產(chǎn)量提升，核心原因在于耐鹽性狀的多基因調(diào)控特性——單一基因編輯無法兼顧離子穩(wěn)態(tài)、滲透調(diào)節(jié)、活性氧（ROS）清除等多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的生理過程，且易引發(fā)代償性離子毒性。而研究發(fā)現(xiàn)，78%的高產(chǎn)量保留（鹽脅迫下產(chǎn)量保留率超50%）研究均采用了多重編輯策略，通過同時(shí)編輯不同生理途徑的基因，如離子穩(wěn)態(tài)相關(guān)的SOS1與NHX1、滲透保護(hù)相關(guān)的P5CS與BADH1、ROS清除相關(guān)的APX2與SOD1，實(shí)現(xiàn)了耐鹽性與產(chǎn)量的協(xié)同提升，驗(yàn)證了“多途徑協(xié)同編輯”的科學(xué)性。

通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用（PPI）網(wǎng)絡(luò)分析，研究識(shí)別出12個(gè)核心樞紐基因和3個(gè)功能模塊，其中SOS3與MPK6被證實(shí)為關(guān)鍵瓶頸基因——這類基因的編輯雖可能增強(qiáng)耐鹽性，但易引發(fā)多效性效應(yīng)，影響作物正常生長發(fā)育。同時(shí)，組織特異性表達(dá)分析揭示了耐鹽基因的空間調(diào)控規(guī)律：根系優(yōu)勢(shì)基因如SOS1、HKT1；5主要負(fù)責(zé)離子排斥，莖葉優(yōu)勢(shì)基因如P5CS、SLAC1主要參與滲透調(diào)節(jié)，而68%的研究采用組成型啟動(dòng)子如35S、泛素啟動(dòng)子，打破了這種天然的空間分工，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量降低15%-28%、玉米籽粒變小19%。相反，采用組織特異性啟動(dòng)子如RCc3驅(qū)動(dòng)根系SOS1表達(dá)或誘導(dǎo)型啟動(dòng)子如RD29A驅(qū)動(dòng)NHX1表達(dá)，可有效減少生理沖突，實(shí)現(xiàn)耐鹽性與產(chǎn)量的平衡。

技術(shù)瓶頸的系統(tǒng)剖析是該綜述的另一大亮點(diǎn)。研究明確指出，當(dāng)前CRISPR/Cas技術(shù)在作物耐鹽改良中的應(yīng)用仍面臨三大核心瓶頸：一是基因型依賴的轉(zhuǎn)化效率差異，僅23%的研究實(shí)現(xiàn)多基因型穩(wěn)定編輯，如粳稻Nipponbare轉(zhuǎn)化效率可達(dá)68%，而秈稻IR64僅為22%；二是再生與嵌合性問題，72%的轉(zhuǎn)化嘗試存在再生失敗，65%的研究存在嵌合現(xiàn)象，大麥需比水稻多3倍世代才能實(shí)現(xiàn)編輯純合；三是表觀遺傳與環(huán)境互作限制，水稻編輯位點(diǎn)易發(fā)生DNA甲基化漂移，小麥易出現(xiàn)轉(zhuǎn)錄沉默，且55%的編輯株系在鹽脅迫與高溫、強(qiáng)光等復(fù)合脅迫下，耐鹽優(yōu)勢(shì)會(huì)被抵消，凸顯了基因-環(huán)境G×E互作的復(fù)雜性。

針對(duì)上述瓶頸，研究提出了針對(duì)性的優(yōu)化路徑：在編輯策略上，應(yīng)優(yōu)先采用“模塊導(dǎo)向編輯”，聚焦單一功能模塊內(nèi)的協(xié)同基因，避免編輯SOS3等瓶頸基因；在技術(shù)層面，推廣DNA-free RNP遞送方式，減少脫靶突變，結(jié)合發(fā)育調(diào)控因子輔助再生，提升轉(zhuǎn)化效率；在表達(dá)調(diào)控上，廣泛應(yīng)用組織特異性、脅迫誘導(dǎo)型啟動(dòng)子，實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)的時(shí)空精準(zhǔn)調(diào)控；在驗(yàn)證層面，強(qiáng)化多環(huán)境、多基因型驗(yàn)證，重視表觀遺傳穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)，確保編輯性狀的田間持久性。

該綜述的創(chuàng)新之處在于，不僅整合了技術(shù)應(yīng)用的宏觀趨勢(shì)，更通過多組學(xué)分析結(jié)合轉(zhuǎn)錄組、表觀組與網(wǎng)絡(luò)生物學(xué)方法，揭示了耐鹽性狀的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與編輯策略的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，糾正了“單一基因編輯即可實(shí)現(xiàn)高效耐鹽”的認(rèn)知偏差。同時(shí)，研究明確了當(dāng)前研究的局限性，如Cas12a、堿基編輯等新型編輯工具應(yīng)用不足，不同作物的編輯技術(shù)體系不均衡，以及編輯性狀的長期穩(wěn)定性數(shù)據(jù)缺乏等，為后續(xù)研究指明了方向。

從實(shí)踐價(jià)值來看，該綜述為作物耐鹽性改良提供了可落地的技術(shù)框架——通過多重編輯、精準(zhǔn)調(diào)控、多環(huán)境驗(yàn)證的整合策略，可有效突破傳統(tǒng)技術(shù)的局限，加速耐鹽作物品種的培育。尤其在全球氣候變暖導(dǎo)致鹽漬化加劇的背景下，該研究的結(jié)論不僅為CRISPR/Cas技術(shù)在作物抗逆育種中的應(yīng)用提供了理論支撐，也為保障糧食安全、推動(dòng)鹽堿地資源開發(fā)提供了重要的技術(shù)參考。

綜上，這項(xiàng)系統(tǒng)性綜述，全面梳理了CRISPR/Cas技術(shù)在作物耐鹽改良領(lǐng)域十年的研究成果，清晰剖析了技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)與瓶頸，提出了科學(xué)可行的優(yōu)化策略，為該領(lǐng)域的后續(xù)研究提供了重要的指引。隨著編輯技術(shù)的不斷迭代與多學(xué)科的深度融合，CRISPR/Cas技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)作物耐鹽性與產(chǎn)量的協(xié)同提升，為破解全球鹽漬化帶來的糧食安全挑戰(zhàn)提供全新解決方案。

參考鏈接：https://link.springer.com/article/10.1186/s12870-026-08295-2

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