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。
近日，四川农业大学理学院张利及水稻研究所仲昭辉团队合作在Plant Biotechnology Journal在线发表了题为Enhancing Metabolic Engineering in Medicinal Plants Through Prime Editing的研究论文。该研究工作将引导编辑技术系统性地应用于药用植物代谢工程，为这一领域带来了突破性进展。研究团队以丹参（Salvia miltiorrhiza）和野生药用植物金荞（Fagopyrum dibotrys）为研究对象，构建并验证了一套专用于药用植物的高效引导编辑系统——MediPlant-NEPE，为药用植物的精准分子育种提供了全新工具。
与传统 CRISPR-Cas9依赖DNA双链断裂不同，引导编辑系统通过“搜索—替换”机制实现碱基层面的精准改写，具有更高的安全性与灵活性（Anzalone et al., 2019）。本研究在前期植物引导编辑技术基础上(Zhong et al., 2024)，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（图1 a）。在多个靶基因位点上，MediPlant-NEPE实现了8.0%–39.47%的编辑效率，并成功获得稳定的双等位突变体（双等位编辑效率为4.0%～17.65%），显示出良好的通用性和可靠性。
图1 MediPlant-NEPE系统构建及在增强代谢工程中的应用
在功能验证层面，研究首先对丹参中的转录因子基因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。相关突变体在花色表型和花青素组成上均表现出显著变化（图1 b-f），验证了引导编辑在药用植物中的可行性，也揭示了SmTCP15作为花青素合成负调控因子的全新功能。
在代谢工程应用方面，研究进一步将引导编辑应用于提升丹参药用活性成分含量。通过精准编辑调控因子SmbZIP1，研究人员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，同时伴随着明显的根部表型变化（图1 g-i）。这表明，引导编辑不仅可用于基因功能研究，也能够直接服务于药用植物的代谢重构。
更具前沿意义的是，该研究将引导编辑推进至“酶工程级别”的应用。通过对SmRAS关键氨基酸位点进行单碱基精准替换，从而造成单个氨基酸的精确转变（G49A）。该位点的改造成功增强了酶的催化效率，使迷迭香酸和丹酚酸B含量最高提升近2倍。分子对接分析显示，该突变通过改变酶活性口袋结构，优化了底物与产物的结合方式，充分体现了引导编辑在精细代谢调控中的独特优势（图1 j-l）。此外，研究团队还将该技术应用于野生药用植物金荞的快速改良。通过对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2个独立的优异单倍型聚合到同一遗传背景，成功实现芦丁含量2.75倍的显著提升，为野生药用植物的快速驯化和功能成分定向强化提供了可行路径（图1 m-o）。
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的提出，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，有望显著缩短育种周期，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。
四川农业大学理学院博士生虞皓淼、硕士研究生冯潇及水稻研究所博士生郑晓航为论文第一作者，四川农业大学理学院张利教授、水稻研究所仲昭辉副教授为论文通讯作者。水稻研究所李仕贵/钦鹏教授对本研究提供了宝贵的指导和建议。生命科学学院陈惠教授及其指导的研究生陈美琪同学在金荞种植资源及毛状根转化方法上提供了重要帮助。研究工作同时得到了国家自然科学基金青年基金（C类）、中国博士后创新人才支持计划、四川省科技计划项目科技创新人才项目、国家现代农业产业技术体系四川创新团队等项目的资助。
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论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70532
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