本科生一作第一發Top綜述

2026年3月，魯東大學資源與環境工程學院本科生孫新迪作為共同第一作者排名第一在《BMC Plant biology》(2 TOP, IF=4.8)上發表了題為 "Systematic synthesis of CRISPR/Cas applications forenhancing salt tolerance in crops: a decade of progress and challenges" 的學術論文，魯東大學為論文第一署名單位和通訊單位。

土壤鹽漬化已成為威脅全球糧食安全的首要非生物脅迫之一，據統計，目前全球20%以上的灌溉農田受鹽害影響，若趨勢持續，到2050年全球超半數耕地將面臨鹽漬化風險。傳統育種與轉基因技術在作物耐鹽性改良中存在周期長、特異性差、 regulatory門檻高等局限，而CRISPR/Cas基因組編輯技術的出現，為精準改良作物耐鹽性狀提供了全新路徑。

這項綜述整合了2015-2024年間83項同行評審研究，系統剖析了CRISPR/Cas技術在水稻、小麥、玉米、高粱、大麥五大作物耐鹽性改良中的應用進展、技術瓶頸與優化策略，為該領域的后續研究與田間應用提供了重要的理論與實踐支撐。

該研究的核心價值在于，突破了單一研究的局限性，通過系統性整合與數據分析，首次明確了CRISPR/Cas技術在作物耐鹽改良中的應用規律、核心瓶頸及解決方案，填補了該領域缺乏系統性總結的空白。

研究團隊通過嚴格的文獻篩選，聚焦采用CRISPR/Cas技術、明確關聯耐鹽生理機制且提供定量表型數據的研究，從基因編輯策略、生理機制、技術瓶頸、表觀遺傳調控等多個維度，開展了全面的整合分析。

在編輯策略的演進方面，研究清晰呈現了從“單基因編輯”到“多重編輯”的發展趨勢。早期研究多聚焦于單一耐鹽相關基因的編輯，如離子穩態調控基因SOS1、HKT1;5等，這類編輯雖能在實驗室條件下實現30%-50%的Na?排斥效率，但在田間環境中往往難以實現顯著的產量提升，核心原因在于耐鹽性狀的多基因調控特性——單一基因編輯無法兼顧離子穩態、滲透調節、活性氧（ROS）清除等多個相互關聯的生理過程，且易引發代償性離子毒性。而研究發現，78%的高產量保留（鹽脅迫下產量保留率超50%）研究均采用了多重編輯策略，通過同時編輯不同生理途徑的基因，如離子穩態相關的SOS1與NHX1、滲透保護相關的P5CS與BADH1、ROS清除相關的APX2與SOD1，實現了耐鹽性與產量的協同提升，驗證了“多途徑協同編輯”的科學性。

通過蛋白質-蛋白質相互作用（PPI）網絡分析，研究識別出12個核心樞紐基因和3個功能模塊，其中SOS3與MPK6被證實為關鍵瓶頸基因——這類基因的編輯雖可能增強耐鹽性，但易引發多效性效應，影響作物正常生長發育。同時，組織特異性表達分析揭示了耐鹽基因的空間調控規律：根系優勢基因如SOS1、HKT1；5主要負責離子排斥，莖葉優勢基因如P5CS、SLAC1主要參與滲透調節，而68%的研究采用組成型啟動子如35S、泛素啟動子，打破了這種天然的空間分工，導致小麥產量降低15%-28%、玉米籽粒變小19%。相反，采用組織特異性啟動子如RCc3驅動根系SOS1表達或誘導型啟動子如RD29A驅動NHX1表達，可有效減少生理沖突，實現耐鹽性與產量的平衡。

技術瓶頸的系統剖析是該綜述的另一大亮點。研究明確指出，當前CRISPR/Cas技術在作物耐鹽改良中的應用仍面臨三大核心瓶頸：一是基因型依賴的轉化效率差異，僅23%的研究實現多基因型穩定編輯，如粳稻Nipponbare轉化效率可達68%，而秈稻IR64僅為22%；二是再生與嵌合性問題，72%的轉化嘗試存在再生失敗，65%的研究存在嵌合現象，大麥需比水稻多3倍世代才能實現編輯純合；三是表觀遺傳與環境互作限制，水稻編輯位點易發生DNA甲基化漂移，小麥易出現轉錄沉默，且55%的編輯株系在鹽脅迫與高溫、強光等復合脅迫下，耐鹽優勢會被抵消，凸顯了基因-環境G×E互作的復雜性。

針對上述瓶頸，研究提出了針對性的優化路徑：在編輯策略上，應優先采用“模塊導向編輯”，聚焦單一功能模塊內的協同基因，避免編輯SOS3等瓶頸基因；在技術層面，推廣DNA-free RNP遞送方式，減少脫靶突變，結合發育調控因子輔助再生，提升轉化效率；在表達調控上，廣泛應用組織特異性、脅迫誘導型啟動子，實現基因表達的時空精準調控；在驗證層面，強化多環境、多基因型驗證，重視表觀遺傳穩定性的監測，確保編輯性狀的田間持久性。

該綜述的創新之處在于，不僅整合了技術應用的宏觀趨勢，更通過多組學分析結合轉錄組、表觀組與網絡生物學方法，揭示了耐鹽性狀的分子調控網絡與編輯策略的內在關聯，糾正了“單一基因編輯即可實現高效耐鹽”的認知偏差。同時，研究明確了當前研究的局限性，如Cas12a、堿基編輯等新型編輯工具應用不足，不同作物的編輯技術體系不均衡，以及編輯性狀的長期穩定性數據缺乏等，為后續研究指明了方向。

從實踐價值來看，該綜述為作物耐鹽性改良提供了可落地的技術框架——通過多重編輯、精準調控、多環境驗證的整合策略，可有效突破傳統技術的局限，加速耐鹽作物品種的培育。尤其在全球氣候變暖導致鹽漬化加劇的背景下，該研究的結論不僅為CRISPR/Cas技術在作物抗逆育種中的應用提供了理論支撐，也為保障糧食安全、推動鹽堿地資源開發提供了重要的技術參考。

綜上，這項系統性綜述，全面梳理了CRISPR/Cas技術在作物耐鹽改良領域十年的研究成果，清晰剖析了技術應用的優勢與瓶頸，提出了科學可行的優化策略，為該領域的后續研究提供了重要的指引。隨著編輯技術的不斷迭代與多學科的深度融合，CRISPR/Cas技術有望實現作物耐鹽性與產量的協同提升，為破解全球鹽漬化帶來的糧食安全挑戰提供全新解決方案。

參考鏈接：https://link.springer.com/article/10.1186/s12870-026-08295-2

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