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中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队与中国科学院微生物研究所邱金龙团队合作,对双生病毒复制子进行工程化改造,首次在植物底盘中构建了快速且通用的体内定向进化系统GRAPE,并利用该系统实现了植物免疫受体NRC3和Pikm-1的体内定向进化,为植物基因和蛋白的工程化改造提供了性能强大的高通量技术平台。2025年10月2日,相关研究成果发表于《Science》。

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(图片来源:《Science》)

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病毒竟变身植物进化加速器
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科技导报 | 科技新闻 2025,43(20): 10-10
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科技导报 |科技新闻 2025 , 43 (20) : 10 -10
病毒竟变身植物进化加速器
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    出版时间: 2025-10-28
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    中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队与中国科学院微生物研究所邱金龙团队合作,对双生病毒复制子进行工程化改造,首次在植物底盘中构建了快速且通用的体内定向进化系统GRAPE,并利用该系统实现了植物免疫受体NRC3和Pikm-1的体内定向进化,为植物基因和蛋白的工程化改造提供了性能强大的高通量技术平台。2025年10月2日,相关研究成果发表于《Science》。

    . 病毒竟变身植物进化加速器. 科技导报, 2025 , 43 (20) : 10 -10 .
    . Science & Technology Review, 2025 , 43 (20) : 10 -10 .
    中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队与中国科学院微生物研究所邱金龙团队合作,对双生病毒复制子进行工程化改造,首次在植物底盘中构建了快速且通用的体内定向进化系统GRAPE,并利用该系统实现了植物免疫受体NRC3和Pikm-1的体内定向进化,为植物基因和蛋白的工程化改造提供了性能强大的高通量技术平台。2025年10月2日,相关研究成果发表于《Science》。
    高效培育高产抗逆作物新品种是保障粮食安全的重要策略。定向进化技术能在短时间内为目的基因赋予改进或全新的生物学功能,有望成为突破作物育种遗传资源瓶颈的有效途径。然而,当前尚无直接在植物体内实现定向进化的系统。
    为此,研究团队创新性地借助双生病毒(Geminivirus)开展研究。他们首先对双生病毒复制子进行工程化改造,实现滚环复制过程与基因功能的偶联。基于人工病毒复制子,进一步开发了高效的植物体内定向进化系统GRAPE:体外诱变目的基因,并构建成复制子文库;根据目的基因的生物学功能设计遗传通路,使其与复制子的滚环复制正向或负向偶联;通过农杆菌渗入法将复制子文库导入本氏烟叶片,让文库在叶片内完成复制和筛选;深度测序计算每一个目的基因变体在文库中的占比变化——促进复制的变体会得到富集,而抑制复制的变体则被淘汰。
    利用GRAPE系统,研究团队成功实现了多种植物免疫受体的快速定向进化。植物NLR免疫受体是免疫系统的核心组分,其激活会引发超敏细胞死亡,而这一反应难以在微生物或动物细胞中进行表征,制约了这类蛋白的功能优化与新功能开发。利用GRAPE平台,研究团队对茄科中关键的辅助NLR蛋白NRC3进行了定向进化,借助细胞死亡将NRC3的功能与复制子的滚环复制相偶联,获得了一系列保留免疫活性的同时可以不受线虫效应蛋白SPRYSEC15抑制的NRC3变体。
    此外,针对水稻整合诱饵型NLR免疫受体Pikm-1,研究团队利用GRAPE进行2轮迭代定向进化,获得了可以同时识别稻瘟菌AVR-Pik效应子6种亚型并激发免疫反应的Pikm-1变体,系统拓展了Pikm-1的效应子识别谱。该策略为抗病作物育种创造了宝贵的遗传资源。
    研究团队已证实,GRAPE亦具有对众多不同基因实现功能进化的潜力。该系统为加速植物分子育种与合成生物学研究提供了快速、高效的技术平台,也为植物基因及蛋白的工程化改造开辟了全新技术路径。
    (综合《Science》、中国科学院遗传与发育生物学研究官网、小柯生命)

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    2025年第43卷第20期
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    • 首发时间:2025-12-29
    • 出版时间:2025-10-28
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    species
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    Percentage of
    total species (%)

    Genus
    种数
    Number of
    species
    占总种数比例
    Percentage of total
    species (%)
    鹅膏菌科Amanitaceae 2 11 5.26 鹅膏菌属 Amanita 10 4.78
    小菇科 Mycenaceae 2 12 5.74 丝盖伞属 Inocybe 5 2.39
    多孔菌科 Polyporaceae 8 14 6.70 蜡蘑属 Laccaria 5 2.39
    红菇科 Russulaceae 3 23 11.00 小皮伞属 Marasmius 6 2.87
    小菇属 Mycena 11 5.26
    光柄菇属 Pluteus 5 2.39
    红菇属 Russula 17 8.13
    栓菌属 Trametes 5 2.39
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