杂草是影响作物产量的重要因素之一，长期依赖作用靶标有限的除草剂会造成抗性杂草的出现。培育新的除草剂抗性作物，是提高杂草防控效率的重要途径。然而，传统基因编辑通常针对蛋白编码区或基因调控区进行单一改造，在兼顾目标性状与基因正常功能方面存在局限性。
2026年10月12日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队和陈宇航团队合作在Nature Plants杂志上在线发表了题为Coordinating structure-guided design and cis-regulatory optimization to engineer elite herbicide-tolerance alleles in crops的研究论文（DOI: 10.1038/s41477-026-02423-4）。研究团队合作提出了结构指导设计与顺式调控优化相结合的等位基因工程策略，创制了除草剂抗性提升的水稻和小麦新种质。
研究团队以水稻4-羟基苯丙酮酸双加氧酶（4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase，HPPD）为研究对象，解析了HPPD与除草剂硝磺草酮的复合物结构，根据结合位点的结构信息设计并筛选相关氨基酸变异，获得了能够提高除草剂抗性的候选变异。研究发现，部分编码区变异虽然能够提高抗性，但同时会影响HPPD的正常功能和植株生长。
针对这一问题，研究人员筛选出了一个22个碱基的表达调控元件（expression modulating element，EME），并利用引导编辑技术将其定点整合到HPPD基因调控区域。将编码区变异与EME相结合后，水稻的除草剂耐受性进一步提高，部分材料能够耐受田间推荐施用量4倍的硝磺草酮处理。研究同时表明，抗除草剂性状与农艺性状之间的平衡与等位基因组合有关。部分编辑组合会造成结实率及产量下降，而优化野生型与编辑等位基因的组合后，可以在保持较高除草剂耐受性的同时改善部分农艺性状。
研究团队进一步将该策略应用于小麦中，在小麦HPPD编码区和调控区域同时进行编辑，获得了同时携带编码区变异和EME的材料。该材料HPPD表达量升高，在硝磺草酮处理下较野生型表现出了更强的抗性，表明该策略在复杂基因组作物中同样适用。综上，该研究提出了一种将蛋白结构设计与基因表达调控结合的等位基因设计方法，创制了除草剂抗性提升的水稻和小麦新种质，为复杂农艺性状的定向改良提供了有效策略和技术路径。
中国科学院遗传发育所高彩霞研究员、陈宇航研究员、张瑞副研究员为该论文的共同通讯作者。高彩霞研究组副研究员张瑞、博士后柴壮壮、陈宇航研究组已毕业博士生王梅花、高彩霞研究组已毕业博士生陈沙为本论文共同第一作者。中国科学院遗传发育所高彩霞团队的博士生刘梅妍、副研究员史晓黎、博士后王文乾、陈宇航团队的工程师张纯瑞、王国栋研究员及张凤霞高级工程师、云南大学的雷贵杰研究员对本研究作出了重要贡献。
该研究得到农业农村部项目、国家自然科学基金等项目支持。
结构设计与表达调控协同的优异等位基因设计策略
