CRISPR/Cas介导的基因编辑技术以其高效、精准的特点，为作物育种和基因功能解析提供了革命性工具。该技术能够对作物的关键基因进行精准编辑，包括基因敲除、插入、替换以及调控基因表达等，为重要农艺性状如高产、品质和抗病改良提供了全新途径。尽管CRISPR/Cas技术在水稻等作物中已取得显著进展，但在茄科作物，尤其是异源四倍体烟草中，仍面临多基因编辑效率低、T0代纯合或双等位编辑株系少等问题，严重制约了烟草等作物基因功能研究及育种效率的进一步提升，亟需开发更高效的新型编辑体系来突破这些限制。

本研究通过分析烟草组织培养过程中不同阶段的基因表达情况，鉴定出一个在烟草早期愈伤组织中超高表达的基因，该基因编码烟草钙网蛋白。研究发现，该基因编码区上游603 bp序列（PCE8pro）能够高效驱动Cas9基因表达，基于该启动子序列，研究团队开发了pDC45编辑体系，将烟草T0代株系的纯合或双等位突变比率提高了6-15倍，在部分位点可实现近100%的纯合突变效率。利用该编辑系统，设计双gRNAs分别靶向烟草基因组长度约1kb和31kb染色体区段，可实现大片段删除，效率分别达到52.2%和11.1%。

由于钙网蛋白在植物中高度保守，课题人员进一步测试发现，该体系还可大幅提升番茄和生菜基因组编辑的纯合或双等位突变效率，有望进一步拓展在其他双子叶植物中的应用。此外，本研究还分离了生菜的钙网蛋白基因启动子，成功构建了基因编辑工具，实现了生菜和烟草中八氢番茄红素脱氢酶（PDS）基因60.0%和37.5%比例的纯合或双等位突变，表明该类启动子具有广泛适用性。同时，课题研究人员将Cas9和烟草FT基因整合，构建了快速编辑体系，在获得相对较高突变效率的同时，缩短了烟草和番茄约三分之一的再生周期，解决了烟草再生周期长的问题。

Fig.1基于高效驱动Cas9基因表达的新型钙网蛋白启动子开发双子叶植物高效基因编辑工具。

综上所述，该编辑体系显著减少了烟草等作物纯合或双等位突变材料筛选的工作量，为解析双子叶植物基因功能、前体miRNAs及染色体片段删除、规模化创制突变素材等方面提供了一种高效的基因编辑工具。

中国农业科学院烟草研究所博士研究生李冰洁和北京大学现代农业研究院尚云副研究员为论文的共同第一作者，中国农业科学院烟草研究所代常波副研究员和北京大学现代农业研究院张华伟研究员为共同通讯作者。本研究得到了中国农业科学院科技创新工程、中央级公益性科研院所基本科研业务费、烟草基因组计划重大专项和烟草病虫害监测与综合治理重点实验室等项目资助。