近日，我院“特色药用植物种质资源创新与利用”团队联合水稻研究所“合成生物学和基因编辑中心”在植物学权威期刊《Plant Biotechnology Journal》（中科院1区Top，IF=10.5）上发表了题为《Enhancing Metabolic Engineering in Medicinal Plants Through Prime Editing》（通过精准编辑提升药用植物代谢工程）的研究论文，报道了一种针对药用植物设计开发的基因组高效引导编辑工具，通过对以丹参和金荞为代表的药用植物中控制花青素、迷迭香酸、丹酚酸、丹参酮和芦丁等有效成分的功能基因进行靶向精准编辑，实现了花色深浅转变、药用成分提升等多种品质性状的定制化改良。

近年来，如何高效提升药用植物中活性成分含量，一直是植物生物技术与中药现代化领域面临的核心挑战。受限于生命周期长、遗传转化效率低以及传统育种周期漫长，许多重要药用植物在分子层面的精准改良进展缓慢。虽然 CRISPR-Cas9 技术已被用于部分药用植物的基因敲除研究，但能够实现单碱基或精细调控的精准编辑技术仍十分有限。

本研究在前期植物引导编辑技术基础上，对 Cas9 nickase 与 M-MLV 逆转录酶的融合方式及表达系统进行了针对性优化，使该编辑器能够高效适配药用植物复杂的遗传背景。在多个靶基因位点上，MediPlant-NEPE 实现了 20%–40% 的编辑效率，并成功获得稳定的双等位突变体，显示出良好的通用性和可靠性。（1）表型性状改良方面：对SmMYB36和SmTCP15进行了精准碱基替换，引入提前终止密码子，从而精细调控花青素合成通路，创制了紫色梯度渐变的丹参新材料；（2）合成生物学应用方面：通过精准编辑调控因子SmbZIP1，显著提高了丹参根中丹参酮类化合物的积累，其中丹参酮IIA含量提升达1.40倍。通过对SmRAS基因的单碱基替换造成氨基酸的精确转变（G49A），成功增强酶催效率，使迷迭香酸和丹酚酸B含量最高提升近2倍；（3）分子育种应用方面：通过对金荞中芦丁生物合成关键酶FdUFGT3进行双位点精准编辑（Q120H和D170G），将自然群体中两个独立的优异单倍型聚合到同一遗传背景，实现芦丁含量2.75倍的显著提升。

总体而言，该研究不仅建立了药用植物引导编辑的技术范式，也展示了其在转录调控、酶工程和代谢通路优化中的广泛潜力。MediPlant-NEPE系统的开发，标志着药用植物代谢工程正从“基因敲除”迈向“精准改写”的新阶段，有望大幅缩短育种周期，加速高价值药用植物新品种的创制，为中药资源的现代化与产业升级提供强有力的技术支撑。

理学院2024级博士生虞皓淼、2023级硕士研究生冯潇和水稻所2025级博士生郑晓航为论文的共同第一作者，我院张利教授和水稻所钦鹏/李仕贵教授团队仲昭辉副教授为共同通讯作者。本研究依托省级创新平台“特色药用植物四川省科技资源共享服务平台”和“四川省中药材育繁技术工程研究中心”以及水稻所“合成生物学和基因编辑中心”，同时得到了国家自然科学基金（32301245）、博士后创新人才支持计划（BX20240244）、国家现代农业产业技术体系四川省创新团队（SCCXTD-2024-19）和四川省科技厅项目（2024JDRC0010）等经费支持。

全文链接： https://doi.org/10.1111/pbi.70532