2025年6月25日，beat365官方网站焦雨鈴教授團隊和首都師範大學beat365汪穎教授團隊在Nature Reviews Bioengineering期刊在線發表了題為“Genome synthesis in plants ”的綜述文章。系統梳理了植物基因組合成領域的最新研究進展，并展望了植物合成基因組學未來發展方向。

随着基因組測序與編輯技術的進步，基因組從頭設計、化學合成及細胞遞送已逐步實現并成為學科發展的新前沿。基因組合成研究一方面緻力于深度解析基因組功能機制，另一方面可廣泛應用于合成生物學和生物工程領域，包括快速進化篩選優良品系、生物分子産品合成以及生物技術工具開發。自2002年首個病毒基因組被成功合成以來，合成基因組學研究的底盤生物已實現從非細胞生物到原核生物、單細胞真核生物再到多細胞生物的跨越式發展。

植物基因組的合成有兩種基本策略：自上而下和自下而上。自上而下的染色體工程策略側重于對内源染色體進行改造；而自下而上的策略則采用從頭DNA組裝技術來構建全新的人工染色體（圖1）。模式植物小立碗藓因其高效的同源重組能力和原生質體再生能力，成為實現自下策略、并率先實現部分基因組合成的模式植物。該綜述系統梳理了植物染色體片段從頭合成的關鍵流程：基因組設計、DNA合成和組裝、大片段遞送、靶向替換與驗證等步驟。并總結了各模塊的核心進展，同時前瞻性地提出了可行的優化方向。

圖1 . 植物基因組合成組裝策略

植物基因組合成領域展現出巨大應用潛力，但仍需突破以下關鍵技術瓶頸：（1）大片段DNA合成與組裝成本高昂、周期長；（2）大片段遞送效率低；（3）種子植物中靶向整合技術尚不成熟。針對這些挑戰，當前研究重點應包括：在大片段合成環節，開發高效寡核苷酸合成技術（如TdT酶法）和酵母體内疊代大片段組裝方法，推動自動化“大片段DNA合成組裝工廠”建設；在大片段遞送入細胞方面，原生質體轉化可能是突破口，但需着力提升原生質體再生效率；在大片段靶向整合方面，亟需提高同源定向修複（HDR）和非同源末端連接（NHEJ）介導的整合效率，同時可嘗試開發基于新型重組酶的系統（圖2）。

圖2. 大片段靶向替換植物基因組

植物基因組從頭合成研究目前仍處于萌芽階段，但這項技術有望深刻改變我們對植物基因組的理解，并為可持續農業、生物制造和生物制藥提供革命性支持。本綜述指出，該領域的下一個重要裡程碑可能是實現小立碗藓完整染色體的從頭合成。随着小立碗藓基因組合成技術的進步，其有望發展成為适用于種子植物的複雜合成通路或大型基因回路的理想底盤平台，從而為開展種子植物大規模基因組工程研究奠定基礎。

beat365官方网站焦雨鈴教授和首都師範大學beat365汪穎教授為本文的共同通訊作者。北京大學博士研究生蘭天龍為本文的第一作者。中國科學院遺傳與發育研究所陳連閣博士參與了本文的撰寫。本工作獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會、啟東-SLS創新基金、廣東省合成基因組學重點實驗室等項目的支持。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s44222-025-00326-1