Plant Communications | 基因组所张江团队综述叶绿体基因工程的研究进展和未来发展方向

2026年2月26日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）张江课题组在《植物通讯（Plant Communications）》上发表题为“Editing and synthetic applications of chloroplast genomes”的综述论文。本文系统回顾了叶绿体基因工程在农作物基因改良与合成生物学等前沿领域内的研究进展及主要挑战，重点聚焦于三个核心方向：叶绿体基因组精简、基因组编辑及代谢工程。此外，文章还探讨了这些领域之间潜在的协同作用机制及综合发展路径。

叶绿体起源于蓝细菌内共生事件，在长期协同进化过程中经历了大规模基因丢失与向核基因组的转移。当前叶绿体基因组精简策略正是借鉴这一自然演化路径，通过系统剔除非必需基因与冗余序列，并将关键功能基因重定位至细胞核，从而实现基因组的理性精简。然而，该过程需审慎评估基因操作与环境间的互作关系，以及多基因同步操作可能引发的级联调控响应。尽管面临技术瓶颈，最小叶绿体基因组的全合成仍被视为极具前景的长远发展方向。

本文将叶绿体基因组编辑技术划分为两类：基于同源重组的传统方法与基于转录激活因子样效应物（TALE）的新型编辑系统。前者在实现高保真同源重组及高效均一化编辑方面具有优势；后者则显著拓展了宿主物种适用范围，突破了传统转化技术的系统性限制。作者指出，下一代叶绿体编辑工具的核心性能指标应聚焦于编辑效率、靶向精度与脱靶效应控制三者的协同优化。

图1|叶绿体基因组编辑技术

叶绿体代谢工程的核心挑战并非外源基因的整合，而在于实现对其表达的精准时空控制。本文系统梳理了多种叶绿体外源诱导表达系统，并指出：构建动态、可调、多层次的代谢调控体系是未来研究的关键方向。同时，作者强调应深度整合叶绿体内源代谢网络，采用整体性与系统生物学驱动的研究范式，在保障宿主生理稳态与生长发育的前提下，协同优化异源产物合成通量与宿主适应性。

图2|用于叶绿体转基因调控的诱导型表达系统

基因组所（大鹏湾实验室）付金秋博士后为论文第一作者，基因组所（大鹏湾实验室）张江研究员为论文的通讯作者。该研究得到国家重点研发计划和中国农业科学院科技创新工程等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xplc.2026.101783