aBIOTECH | 北京林业大学王厚领团队综述植物无转基因基因组编辑技术

传统基因组编辑技术（如CRISPR/Cas9）通常依赖农杆菌转化或质粒DNA递送，虽然能够实现高效靶向修饰，但外源DNA片段（如TDNA、抗性标记）会随机整合到植物基因组中。这不仅可能引发脱靶突变和基因组干扰，还会导致最终产品被归为转基因生物，在监管审批与公众担忧方面带来较大挑战。在此基础上，无转基因基因组编辑（transgenefree genome editing）技术应运而生。其核心思路是避免任何外源DNA的稳定整合，仅通过瞬时递送CRISPR组分（如Cas9蛋白sgRNA复合物或编码编辑器的mRNA）完成靶点修饰，随后编辑元件被细胞内源机制快速清除。由此获得的植物不携带任何外源DNA片段，在法规上可被认定为非转基因，从而大幅加速优良性状作物的育种与商业化进程。

近日，北京林业大学王厚领副教授课题组在aBIOTECH 发表了题为“Transgenefree genome editing in plants”的综述论文。该综述系统总结了植物中无需外源DNA整合的无转基因基因组编辑技术的核心原理与应用进展，重点介绍了核糖核蛋白（RNP）直接递送、mRNA瞬时表达、单碱基编辑及引导编辑等策略在避免外源DNA整合、降低脱靶风险及加速非转基因作物商业化方面的突破性优势。文章还梳理了原生质体再生、基因枪、纳米材料、病毒载体等多元递送系统以及可视化筛选、共编辑筛选等高效鉴定方法，并对人工智能辅助设计、表观编辑及低成本育种应用等未来发展方向进行了展望。

三大类实现无转基因编辑的主要技术路径：

（1）直接递送核糖核蛋白（RNP）复合物：通过体外预组装Cas9蛋白与sgRNA形成RNP，再借助PEG介导的原生质体转染、基因枪轰击、脂质体或细胞穿膜肽等方式导入植物细胞（图1）。RNP无需转录和翻译，进入细胞后立即发挥编辑功能，并快速降解，极大降低了外源DNA整合与脱靶风险。目前该策略已在水稻、小麦、生菜、马铃薯、葡萄、杨树等多个物种中获得成功。

（2）mRNA瞬时递送：通过体外转录获得编码Cas9或碱基编辑器的mRNA，利用脂质纳米颗粒（LNP）、基因枪或新型v2_TMV/DEN2系统导入细胞。mRNA在核糖体中直接翻译为编辑器蛋白，完成靶向修饰后连同mRNA一起被降解。

（3）碱基编辑与引导编辑：胞嘧啶碱基编辑器（CBE）和腺嘌呤碱基编辑器（ABE）可在不产生DNA双链断裂的情况下实现C→T或A→G的单碱基替换。引导编辑（prime editing）则利用nCas9反转录酶融合蛋白和pegRNA，实现小片段的替换、插入或删除。这些精度编辑器与RNP/mRNA递送相结合，已在水稻、小麦、玉米、花生、番茄中成功获得无转基因的精准编辑植株。

图1. 借助多种递送系统实现无转基因基因组编辑

多元递送系统与高效筛选方法：

（1）原生质体再生：去除细胞壁的原生质体可通过PEG、脂质体、电穿孔或穿膜肽高效导入RNP/mRNA，随后再生细胞壁并分化成完整植株。生菜中BIN2基因编辑效率高达46%，且未检测到脱靶。

（2）基因枪与纳米材料：金纳米颗粒、可降解聚合物（PLGA）、DNA折纸及碳纳米管等纳米载体可避免传统金属粒子的细胞损伤，并实现可控释放和细胞特异性递送。例如，单壁碳纳米管递送siRNA在烟草中达到95%的基因沉默效率。

（3）病毒载体：负链RNA病毒（如TSWV、SYNV）可容纳完整CRISPR/Cas模块，无需转基因植物即可实现瞬时编辑。TSWV载体在番茄中编辑效率高达78.2%，SYNV载体在烟草PDS基因中达到91%的突变率。

（4）筛选策略：对于无抗性标记的瞬时系统，共编辑内源标记基因（如ALS、PDS）成为关键。利用ALS除草剂抗性共筛选或PDS白化表型共编辑，可快速富集阳性事件（图2）。此外，荧光标记（GFP、DsRed）、RUBY色素系统以及主动消除系统（TKC、FMPKC）均能有效分离无转基因的编辑植株。

图2. 以ALS基因为例，经双重筛选实现无转基因基因组编辑

尽管无转基因编辑技术取得了长足进展，但仍面临编辑效率低、再生基因型依赖、大片段精准插入困难等瓶颈。综述最后提出了若干未来发展方向：

（1）人工智能辅助设计：深度学习模型已可预测碱基编辑脱靶（DeepBaseEditor）和引导编辑效率（DTMPprime），蛋白语言模型有望理性优化编辑器组分，减少实验试错。

（2）表观基因组编辑：利用dCas9SunTag系统靶向DNA甲基化或组蛋白修饰，可在不改变DNA序列的前提下调控基因表达，实现真正 “无痕” 的性状改良。该技术已在拟南芥中成功实现多位点甲基化编辑。低成本、高通量育种应用：发展免组织培养的递送方法（如CDB嫁接、花粉管导入）和简化的分子检测流程，使无转基因编辑能够在资源有限的实验室和地区推广应用，加速本地特色作物的抗逆高产育种。

（3）整合多组学与设计构建测试学习循环：将 “设计递送再生 / 筛选” 数据流与多组学、表型组、基因组选择平台整合，推动无转基因编辑成为标准化、可预测的育种工具。

无转基因基因组编辑技术突破了传统转基因的法规与安全壁垒，为精准作物改良开辟了全新路径。随着递送系统、编辑工具及筛选方法的持续优化，以及人工智能、表观编辑、纳米技术的深度融合，该领域将有望在抗逆、高产、优质农林作物的培育中发挥核心作用，为保障粮食安全与农业可持续发展提供重要技术支撑。

北京林业大学林木遗传育种全国重点实验室/生物科学与技术学院王厚领副教授为该论文通讯作者，高悦豪为第一作者，林淇、王宇婧、曹豫、李欣芯、岳典辰为论文共同作者。该工作得到了北京市自然科学基金、农业生物育种国家重大科技专项、国家级大学生创新训练计划等项目的资助。

引用本文：

Gao Y-H, Lin Q, Wang Y-J, Cao Y, Li X-X, Yue D-C, et al. Transgene‐free genome editing in plants. aBIOTECH 2026:100057.

https://doi.org/10.1016/j.abiote.2026.100057

aBIOTECH已于2026年1月正式转至Elsevier以金色OA模式出版，最新投稿地址：

https://www.sciencedirect.com/journal/abiotech

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