我认为我的科研道路不是一系列独立的突破，而是一系列由我的好奇心驱动的持续而系统的探索，这种好奇心在我进入基因组编辑领域之前就已经形成了。我一直对DNA的微小变化如何重塑整个生物体，以及进化如何从相同的四个DNA碱基中创造出无限的生物多样性这些基本问题感到着迷。在职业生涯早期，我专注于揭示遗传变异与农艺性状之间的联系，这一追求加深了我对支配生命系统的基本逻辑的兴趣（见图1）。
当可编程核酸酶出现时，我的好奇心自然地将我引向了这个新的前沿领域[1]。我们最初使用锌指核酸酶（ZFNs），后来扩展到了TALENs这两种早期的基因组编辑方法。我们是第一个将CRISPR-Cas9基因组编辑技术应用于主要粮食作物的团队，并报告了世界上第一株经过CRISPR编辑的植物——这一成就被《科学》杂志评为2013年的年度突破之一[2]。在此基础上，我的团队开发了一系列精准编辑策略，扩展了植物基因组操作的可能性。通过碱基编辑和引导编辑技术，我们能够在植物基因组中高效地实现单碱基替换、小范围插入和删除，精度极高[3-10]。我们还开发了无需DNA的CRISPR传递方法，利用RNA和核糖核蛋白复合物，从而提高了特异性和生物安全性[11, 12]。我的实验室率先在植物中实现了uORF（上游开放阅读框）编辑，证明了通过工程化上游开放阅读框可以精细调节基因表达水平[13, 14]。重要的是，我们团队对胞嘧啶碱基编辑器脱靶效应的仔细评估改变了该领域的认识，并为编辑工具的发展设定了新的标准[15]。
与此同时，我和我的团队是第一个证明TALENs和CRISPR-Cas9可以同时编辑多拷贝基因的团队[16]。利用这些技术，我们培育出了具有优异抗白粉病能力的小麦品种。这项研究发表在《自然生物技术》杂志上（2014年），后来被选为该期刊20年来最具影响力的论文之一，并被MIT技术评论评为“10大突破性技术”之一。经过八年的持续努力，我们发现了一种补偿机制，可以在不降低产量的情况下实现抗性基因的引入[17]。这为设计抗病优良作物提供了一种强大的策略。我们还证明了基因组编辑可以加速野生物种的驯化，为未来的作物开发开辟了新的途径[18, 19]。
自2022年以来，AlphaFold2及相关人工智能工具的突破性成功标志着蛋白质科学的一个转折点。这一变化深刻影响了我的研究方向，使我的团队转向了基于人工智能的精准基因组编辑[20]。我们认识到人工智能在揭示结构和功能特征方面的独特能力，因此率先实现了从基于序列到基于结构的酶发现方法的转变[21]。这种方法大大提高了新碱基编辑酶的发现效率。我们的发现极大地扩展了精准基因组编辑的工具箱，并克服了大豆碱基编辑和治疗性基因传递领域长期存在的技术瓶颈。
在这些发展中，我的动机从来不仅仅是开发工具本身，而是探索基因变化的功能空间。每一个进展都反映了一个更深层次的问题：生物系统是如何创新的，并揭示了如何利用这些创新来造福农业和社会。我早期的探索为后来的工作奠定了基础：利用新技术来研究复杂的生物学问题。我当前研究的一个主要方向是重新审视生命最古老的进化过程之一——从移动遗传元件到可编程免疫系统的转变。通过发现TranC系统，我和我的团队证明了V型CRISPR系统的出现不仅仅是由蛋白质变化驱动的，还伴随着引导RNA的根本重组，其特征是祖先引导RNA的“功能分裂”，而不是蛋白质结构的剧烈变化[22]。这一发现不仅解决了CRISPR进化中的一个长期未解之谜，还将TranC确立为下一代基因组工程的一个紧凑而多功能的平台。
我们团队还探讨了是否可以利用进化的逻辑来辅助蛋白质设计。这个问题促使我们开发了AiCE，这是一个整合了人工智能与结构和进化约束的人工蛋白质进化通用框架[23]。与依赖越来越大的神经网络不同，AiCE针对序列空间中的生物学上有意义的区域，从而能够精确高效地识别高适应度突变。这种方法挑战了“更大模型总是表现更好”的假设，并已经培育出一些高性能的酶，包括先进的碱基编辑器。将这项工作扩展到整个基因组的操作，我们利用AiCE设计的重组酶开发了PCE平台，能够生成从千碱基到兆碱基大小的基因组重排，而不会在编辑后的物种中留下任何基因工具的痕迹[24]（见图1）。这些进展将进化洞察转化为强大的策略，用于重写基因组和设计未来的生物系统。
我对进化过程的好奇心不仅限于当代植物。为了理解基因在其自然环境中的适应性，我们开发了GRAPE，这是第一个用于植物的体内定向进化系统[25]。通过将基因功能与双生病毒的滚环复制机制相结合，我们克服了植物细胞分裂速度慢的限制，这一限制曾经使得定向进化在植物中难以实现。GRAPE仅用四天时间就在一片烟草叶子上完成了一个完整的进化周期，筛选能力达到了10^5个遗传变异，为工程化新的植物基因功能提供了快速而强大的方法。同时，我们还发现了能够显著提高作物植物转化效率的新小分子，解决了植物生物技术中的一个长期存在的瓶颈问题。这些进展为大规模工程化作物奠定了基础。
总的来说，我的工作体现了这样一个核心信念：通过理解生命如何“重塑”自己，我们可以开始想象和创造未来的作物。我的学术旅程涵盖了植物分子生物学、遗传学、基因组编辑、定向进化和人工智能等领域，但每个兴趣点都反映了一个共同的驱动力：对生命系统变化方式的深刻好奇。我的工作不仅仅是为了开发工具本身，而是出于探索基因变化功能空间的愿望。每一个进展都揭示了一个更深层次的问题：生物系统是如何创新的，并揭示了如何利用这些创新来造福农业和社会。我早期的探索为我后来的工作定下了模式：利用新技术作为研究复杂生物学问题的工具。我当前研究的一个主要方向是重新审视生命最古老的进化过程之一——从移动遗传元件到可编程免疫系统的转变。通过发现TranC系统，我和我的团队证明了V型CRISPR系统的出现不仅仅是由蛋白质变化驱动的，还伴随着引导RNA的根本重组，其特征是祖先引导RNA的“功能分裂”，而不是蛋白质结构的剧烈变化[22]。这一发现不仅解决了CRISPR进化中的一个长期问题，还将TranC确立为下一代基因组工程的紧凑而多功能的平台。
我们团队还探讨了是否可以利用进化的逻辑来辅助蛋白质设计。这个问题促使我们开发了AiCE，这是一个将人工智能与结构和进化约束相结合的人工蛋白质进化通用框架[23]。与依赖越来越大的神经网络不同，AiCE针对序列空间中的生物学上有意义的区域，从而能够精确高效地识别高适应度突变。这种方法挑战了“更大模型总是表现更好”的假设，并已经培育出一些高性能的酶，包括先进的碱基编辑器。将这项工作扩展到整个基因组的操作，我们利用AiCE设计的重组酶开发了PCE平台，能够生成从千碱基到兆碱基大小的基因组重排，而不会在编辑后的物种中留下任何基因工具的痕迹[24]（见图1）。这些进展将进化洞察转化为强大的策略，用于重写基因组和设计未来的生物系统。
我对进化过程的好奇心不仅限于当代植物。为了理解基因在其自然环境中的适应性，我们开发了GRAPE，这是第一个用于植物的体内定向进化系统[25]。通过将基因功能与双生病毒的滚环复制机制相结合，我们克服了植物细胞分裂速度慢的限制，这一限制曾经使得定向进化在植物中难以实现。GRAPE仅用四天时间就在一片烟草叶子上完成了一个完整的进化周期，筛选能力达到了10^5个遗传变异，为工程化新的植物基因功能提供了快速而强大的方法。同时，我们还发现了能够显著提高作物植物转化效率的新小分子，解决了植物生物技术中的一个长期存在的瓶颈问题。这些进展为大规模工程化作物奠定了基础。
综上所述，这些发现都指向了我最雄心勃勃的目标之一：建立一个从野生植物框架设计未来作物的通用工作流程。通过整合染色体级别的精准编辑、高效的再生系统、内源性基因进化以及基于人工智能的性状设计，我们的团队正在重新定义创造全新作物的含义。我们的目标是将抗逆的野生植物Thinopyrum intermedium重新设计成多年生、高产、营养丰富的作物——这一努力结合了进化理论、基因组工程和人工智能，以释放野生植物资源的潜力。
总之，我的工作体现了这样一个核心信念：通过理解生命如何“重塑”自己，我们可以开始想象和创造未来的作物。我的学术旅程涵盖了植物分子生物学、遗传学、基因组编辑、定向进化和人工智能等领域，但每个兴趣点都反映了一个共同的驱动力：对生命系统变化方式的深刻好奇。我的工作不仅仅是由工具的开发所驱动，而是由一种不断超越当前知识边界、揭示生物设计原理的好奇心所驱动。
