aBIOTECH | 浙江大学杨景华课题组综述植物线粒体基因编辑：从技术突破到育种应用

线粒体被誉为细胞的“能量工厂”，通过氧化磷酸化为细胞提供ATP，是呼吸作用和能量代谢的核心场所。在植物中，线粒体基因组更是直接决定了细胞质雄性不育（Cytoplasmic male sterility，CMS）这一关键农艺性状，使其成为极具潜力的育种改造靶点。然而，植物线粒体具有双层膜结构，其基因组具有多拷贝、异质性及高频重组等复杂特性，相比于核基因组编辑技术的飞速发展，植物线粒体基因组编辑长期面临“递不进、编不准、稳定难”等技术困境，严重制约了相关基础研究与育种应用。

近日，浙江大学农业与生物技术学院杨景华教授课题组在aBIOTECH 发表了题为“Harnessing mitochondrial genome editing for crop improvement: principles and applications”的综述论文，系统总结植物线粒体基因组编辑工具技术原理与育种应用的最新进展，为基于线粒体基因组的作物改良提供了全新科学依据。

传统观点认为，植物细胞器基因组难以实现外源物质递送与精准修饰，而近年来，以转录激活剂样效应子（Transcription Activator-Like Effectors，TALE）为基础的编辑工具成功突破这一壁垒，让线粒体基因组从“难操控”变为“可编辑”。该论文重点介绍了三种线粒体基因组编辑工具：

（1）mitoTALENs/mito-cTALs：借助线粒体定位信号引导，TALE结合目标序列，核酸酶切割mtDNA，诱导异位重组实现大片段敲除，这是首个成功应用于植物线粒体的编辑系统。

（2）mitoTALECD/mTALEAD：基于DddA、TadA8e脱氨酶实现C→T、A→G单碱基精准转换，不产生双链断裂，避免基因组重排。

（3）TALEN-GDM：类基因驱动诱变，在低切割活性下诱导点突变，突破碱基编辑器序列偏好限制。

同时，综述还揭示植物线粒体基因编辑的独特动态规律，编辑后通过线粒体基因组的异质分选，可快速实现同质性突变，且可稳定母系遗传，为性状稳定传递提供保障。

论文重点聚焦线粒体基因编辑在基于CMS杂种优势利用中的应用方向：

（1）CMS系育性恢复：通过敲除线粒体基因编码的CMS相关ORFs（Open reading frames），可直接恢复水稻、青花菜、马铃薯等作物CMS系育性，尤其适用于种质资源缺乏的作物种质创制。

（2）新型CMS系创制：靶向敲除NAD9等呼吸复合体基因，可人工诱导雄性不育，结合核基因回补实现一步法CMS/Rf系统构建，摆脱对自然界不育材料的依赖；未来还可以通过敲入CMS相关ORFs创制新型不育系。

当前线粒体基因组遗传操作仍面临许多问题，如递送效率低、碱基编辑器存在旁观者效应、多靶点编辑工具缺失、mitoCRISPR尚未突破等，针对这些问题提出了优化方向，包括强化线粒体靶向元件与纳米递送体系，开发高精度脱氨酶，推进RNA线粒体导入研究等。

综上所述，植物线粒体基因组编辑已实现从技术突破到育种应用的跨越，为解析线粒体基因功能，精准操控作物育性，开发新型杂交育种系统提供全新视角。今后，拓展线粒体基因编辑在抗逆和品质改良中的应用，也将成为作物精准育种的重要方向。

浙江大学农业与生物技术学院蔬菜种质创新与分子设计育种团队许凤媛博士为该论文第一作者，杨景华教授为论文的通讯作者，张明方教授对该综述进行了悉心指导，台州市农业科学研究院何道根研究员也参与了该研究。该工作得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金等资助。

引用本文：

Xu F, Fan F, Cui J, Bai Q, He D, Hu Z, et al. Harnessing mitochondrial genome editing for crop improvement: principles and applications. aBIOTECH 2026:100051.

https://doi.org/10.1016/j.abiote.2026.100051