应用生物育种技术 释放作物生物潜能
Applying biological breeding techniques to unleash the biological potential of crops
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Genome Biology丨未米生物联合华中农业大学、湖北洪山实验室研究团队提出“编辑可塑性”概念，引导精准编辑实验创造最优变异
2025-12-03
未米生物联合华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室严建兵教授、胡学海教授研究团队在Genome Biology上在线发表了题为“Precise engineering of gene expression by editing plasticity”的研究论文。
该研究首先通过序列—表达预测模型智能识别植物顺式调控元件（Cis-regulatory Elements, CREs），并开展高通量实验验证与构建CRE的全基因组图谱；随后创新性地提出了一个“编辑可塑性”概念，引导精准编辑实验创造最优变异，实现最优表型。该研究为遗传操控CRE调控基因表达提供AI解决方案，对于培育高产、优质、抗逆的作物品种具有重要意义。
华中农业大学植科院博士研究生邱洋、信息学院博士研究生刘丽芬、植科院博士研究生严佳丽为该论文共同第一作者，严建兵教授和胡学海教授为共同通讯作者。未米生物科技有限公司许洁婷、金敏亮、程丽巍、吴晓昱也参与了该研究。
研究背景
基因表达的精准调控是作物性状改良的核心环节，而顺式调控元件（CREs）作为基因表达的关键调控单元，其识别与编辑效率直接决定了育种精度。当前作物育种领域面临多重瓶颈：传统表观遗传信号仅能定位宽泛的 CRE 区域，无法满足精准编辑需求；启动子饱和编辑实验耗时耗力且结果具有盲目性，尤其不适用于玉米等大基因组作物；依赖自然变异的育种模式难以突破表型改良上限，亟需构建 “精准预测 - 高效验证 - 定向编辑” 的技术体系。利用大数据分析和人工智能，预测和优化基因表达调控策略，结合基因编辑技术进行作物改良，是一种技术创新的研究思路。
关键发现
该研究采用学科交叉策略，融合人工智能建模预测和生物学实验验证，实现“干湿”结合研究模式，用创新性思路解决上述问题。团队针对远端与近端 CRE 的不同解析需求，开发了 Basenji2-long 和 Basenji2-3K 两个序列 - 表达预测模型。Basenji2-long模型以基因转录起始位点上下游 120K-bp 序列为输入，实现全基因组范围远端与近端 CRE 的识别，在玉米中预测准确率达 PCC=0.733，并据此构建出包含 745,684 个候选 CRE 的玉米全基因组图谱。
图1. Basenji2-long 模型的预测结果及实验验证
Basenji2-3K模型聚焦 TSS 近端 3K-bp 调控区，经泛基因组数据优化后的 Basenji2-3K-NAM 模型预测精度提升至 PCC=0.79-0.84，可实现 10bp 分辨率的 CRE 精准定位。为验证预测可靠性，团队采用 UMI-STARR-seq 技术对 1.2 万个候选 CRE 进行检测，结果显示 40.9% 的序列具有增强子活性，其中新预测 CRE 组活性率达 37.9%，已知增强子组活性率更是高达 53.7%，充分证实了模型的有效性。
图2. Basenji2-3K-NAM模型的预测结果及编辑可塑性概念
基于 CRE 的精准识别，研究创新性提出 “编辑可塑性（EP）” 概念，通过模拟单峰缺失、多峰组合缺失等编辑事件，量化启动子编辑对基因表达的调控潜力。分析发现，高 EP 基因多具有强组织特异性，且在进化空间中更靠近 “可塑型” 锚点，为育种靶点筛选提供了量化标准。在实证研究中，团队以调控玉米籽粒 α- 生育酚含量的 ZmVTE4 基因为靶标，通过 EP 分析锁定其 5’UTR 中的关键 CRE 区域，经 CRISPR 编辑获得 4-bp 缺失的变异材料 —— 该变异在自然群体中不存在，却能显著提升基因表达及 α- 生育酚含量，验证了 AI 引导编辑策略的可行性。此外，研究还发现玉米全基因组候选 CRE 中，41.53% 的农艺性状 QTL 与 26.7% 的表达 QTL 存在重叠，揭示了 CRE 在性状变异调控中的核心作用。
图3. 编辑可塑性引导ZmVTE4基因的精准编辑
该研究通过 “深度学习预测 - 高通量验证 - 编辑潜力量化” 的闭环体系，突破了传统 CRE 研究的技术瓶颈。其分层模型兼顾了 CRE 识别的广度与精度，编辑可塑性概念为定向编辑提供了理论指引，ZmVTE4 基因的编辑案例则证实了该体系超越自然变异的育种潜力。尽管当前模型尚未整合环境因素对 CRE 活性的影响，且复杂调控互作的预测精度有待提升，但这套融合AI 与 BT的技术方案，已为作物基因表达精准调控提供了全新范式，对推动高产优质作物品种培育具有重要实践意义。
原文链接：
https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-025-03516-7
