科研最开心的时刻，不是论文发表，而是从近三年毫无进展的黑暗中，第一次看到实验数据显示编辑效率达到百分之几十的那一天。

“我们花了五年时间，有很多节点都觉得做不下去了，我头发都掉了好多。”刚刚入职中国农业科学院生物技术研究所的研究员张华伟自嘲道。他带领团队自主开发的“榫卯连接系统”（Mortise-Tenon joint system，简称MT），为水稻精准基因组编辑提供了突破性解决方案。

该项研究以封面文章形式发表。受访者供图

这项研究于1月5日以封面文章形式在《分子植物》（Molecular Plant）上正式发表，由张华伟团队和中国科学院遗传与发育生物学研究所、崖州湾国家实验室李家洋院士团队合作完成。该技术DNA插入与替换效率最高达59.47%，作为先导编辑器的高效替代技术，成功绕开了传统精准基因编辑工具的专利，为攻克基因编辑育种瓶颈问题提供了关键利器。

从“卡脖子”到另辟蹊径

白花花的大米饭背后藏着一场关乎国家粮食安全的科技竞赛。如何让作物更抗旱、更抗病、产量更高？科学家们一直试图寻找更精准的方式“修改”植物的基因密码。

然而，长期以来，我国的精准基因编辑技术却一直依赖国外工具先导编辑系统（prime editor，简称PE），这也成为我国农业生物育种自主创新路上的“卡脖子”难题。

“这项研究要追溯到2019年底至2020年初，那时先导编辑技术刚出现不久。”张华伟回忆道。先导编辑的原理非常巧妙，能给精准基因编辑提供了一套非常好的框架方案，但是这套框架方案的专利期延续到2038年左右，这就筑起了一道长期的技术壁垒。

中国农业大学教授赖锦盛说，先导编辑系统虽为植物精准编辑的主流底层技术，但其核心专利壁垒却成为我国作物育种商业化进程中的关键“卡脖子”难题——不仅抬高了技术应用成本，更严重制约精准编辑技术在主粮、经济作物育种中的规模化落地，使我国在作物性状改良领域的创新潜力难以充分释放。

中国科学院院士、崖州湾国家实验室副主任钱前指出，在基因编辑工具自主化进程中，我国已取得显著突破：以Cas12系列核酸酶为代表的序列特异性工具酶，搭配自主研发的碱基编辑器，已在多种作物育种中实现应用，部分工具更是实现了效率与精准度的双重优化，部分技术已通过国际授权实现反向输出。这些成果为我国育种技术从跟跑向并跑转变奠定了坚实基础。

精准基因编辑是突破育种瓶颈的关键——改良作物关键农艺性状的碱基替换及DNA片段的准确插入、替换和删除，都依赖于高效精准的编辑工具。然而，当前主流的精准编辑技术多数基于先导编辑系统开发，其专利垄断成为制约我国育种产业发展的“卡脖子”难题，严重限制了自主创新成果的产业化应用。

2019年12月，张华伟在北京大学现代农业研究院建立了自己的实验室。他给自己定下一个目标：建立一套我国自主知识产权的精准基因编辑框架体系，开发属于中国自己的精准编辑工具。

“基因编辑工具就像光刻机一样，如果被‘卡脖子’，什么也做不了。”谈及研发初衷，张华伟打了个比方：“类似于我们需要一套自主知识产权的‘光刻机’，用于基因编辑产品的开发。”

黑暗中摸索，冷板凳上坚守

“前两三年完全没有数据，是非常痛苦的，感觉怎么做都失败。”张华伟说，这套看似简单的系统背后，是团队长达五年的艰难探索。

研究初期，团队遇到了难以想象的困难。最大的难关就是“卯眼”结构中的5’粘性末端的长度可能具有摇摆性，可能产生多种类型的5’粘性末端，切口处可能有多个胞嘧啶，这样就对“榫头”中与之匹配的5’单链粘性末端的设计提出挑战。

困难不仅来自技术层面，还有方法论上的挑战。团队最初使用植物细胞去除细胞壁后的原生质体体系进行实验，这是基因编辑工具开发的常规方法。但他们发现，在他们的实验中这套体系效率极低。

“我们组里的成员一直做到几乎崩溃，有一次课题讨论会上，一作孙文静当时都快哭了。就感觉真的是在黑暗中摸索，一点希望都没有。”张华伟说，在实验遇到困难，快没有信心时，是李家洋老师给了他们鼓励和帮助，帮他们度过了一个个难关。“李老师在百忙之中，多次面对面或者打电话，及时、亲切地鼓励和指导，给了我们很大的勇气和毅力。”

李家洋老师经常和他们说，科研要坐得住“冷板凳”。关键时刻，他还给出了转折性的建议：由于水稻基因编辑工作要在愈伤组织中实现，何不直接在愈伤组织中尝试这个实验呢？

张华伟回忆道，由于不同植物组织中的修复机制不同，这一转变的确给研究迎来了转机。

后续研究中，他们进一步整理数据，意外发现了规律。“我们从那一堆看似杂乱无章的完全没有效率的数据里面发现，好像只要一遇到TC，基因编辑效率就能起来。”张华伟说。

这一发现让团队兴奋不已：“赶快试了一下，试完以后立马就开心了！第一次做出来有百分之几十的编辑效率。”张华伟说那是研究过程中最开心的时刻。最终他们选择了特异且高效识别TC的胞嘧啶脱氨酶（APOBEC3B）解决了编辑效率低的问题。

高效无痕的编辑技术

在送女儿去听音乐会的路上，张华伟心里还想着他的基因编辑框架。

突然灵光一闪，中国古建筑传统木工中的榫卯结构跃入他的脑海，和他们研发的框架系统非常相似——通过构建相互匹配的“榫头”与“卯眼”，实现DNA片段的精准整合。

具体而言，他们在水稻基因组目标位点制造出特殊的双链断裂结构（即“卯眼”），该结构具有单端或双端非互补的5’突出端。随后合成双链DNA供体作为“榫头”，供体两端带有与“卯眼”完全互补的5’粘性末端。通过互补配对及连接，“榫卯连接系统”可实现DNA片段的定向精准插入和替换。

“榫卯连接系统”的性能令人振奋。在仅含单个TC基序的GRF1基因位点，“榫卯连接系统”的正向插入效率分别达到46.55%、48.12%，且无反向插入；而传统Cas9系统搭配平端供体时效率仅1%。

在含3个TC基序的IPA1基因位点，当供体为8nt粘性末端时，“榫卯连接系统”的正向插入效率达83.54%，精准插入效率59.47%，是Cas9系统的7倍以上。

与传统技术相比，“榫卯连接系统”还具有“无瘢痕编辑”的突出特点。张华伟解释说，之前有一些体系，能够实现DNA的高效插入，一般使用转座酶，转座酶介导的高效插入需要借助于一种称为重组酶识别位点的序列，这个序列会在外源DNA插入后，保留在插入片段的两端，有点像手术伤口愈合留下的疤痕。“而我们的榫卯连接系统不需要借助于这样的序列，编辑之后，不会留下任何多余碱基。”

钱前院士表示，这种模拟榫卯咬合的设计，既规避了PE系统的专利壁垒，又在编辑效率和准确性上展现出独特优势，为精准基因编辑提供了全新技术路径。该系统的建立将有助于在育种实践中，赋能主粮、经济作物的性状改良，加速高产、抗逆、优质新品种培育，助力破解“抗逆必减产”等行业困局。更重要的是，MT系统的自主知识产权属性，将推动我国精准编辑领域从“技术引进”向“自主创新”转型，增强在全球种业竞争中的话语权，为保障国家种源安全提供核心技术支撑，彰显了传统智慧与现代科技融合的创新力量。

“一开始，我们也没有想到这个原创系统会这么高效率，毕竟传统Cas9系统也是经过很多年的不断迭代才提高编辑效率的。”张华伟强调，研发出一份具有自主知识产权的基因编辑框架系统才是他们团队最为看重的。

“我们只是部分解决了‘卡脖子’的问题。在基因编辑领域中，我们解决了最难做的框架层次问题，但中间的一些元件还是非国产的。”张华伟说，未来5年左右，希望联合国内多家实验室围绕“榫卯连接系统”建立完全国内知识产权的精准基因编辑工具，服务于精准分子育种。

他们将从两个方面解决TC序列偏好性的问题：一是寻找特异识别其他序列的高效脱氨酶或者糖基化酶，替代现有系统；二是实现大片段高效替换，这样即使是存在TC序列偏好性，也没有问题。

目前的研究是在水稻中完成的，但张华伟表示，“榫卯连接系统”在小麦、玉米等主要农作物中也有广泛应用潜力。

“做这件事的时候有50%以上是靠情怀在支撑，要不然真的做不下去。”正是这种坚持，让团队在基因编辑领域开辟了一条全新的技术路径。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.molp.2025.11.006