在过去20年合成基因组学的发展中，简单生物体如病毒、支原体、大肠杆菌和酵母等的基因组已部分或全部实现了人工设计合成1。受限于先验生物学知识和合成生物学相关技术的限制，如何将合成基因组学从单细胞生物推进到多细胞生物，仍是尚待解决的巨大难题。近期，中国科学院深圳先进技术研究院客座研究员戴俊彪课题组与北京大学研究员焦雨铃课题组，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员钱文峰课题组和中国科学院大学研究员汪颖课题组合作完成了小立碗藓18号染色体部分序列的人工设计与合成，迈出多细胞生物合成基因组的第一步2。

小立碗藓是水生植物向陆生植物转变的过渡物种，具有结构简单、生长周期短、同源重组能力强等特点，因此是重要的模式植物。小立碗藓的基因组大小约为480Mb，其中转座子相关元件占基因组一半以上，其功能未知。基于小立碗藓的特性及基因组结构，对其进行全基因组范围的重设计和合成的可行性较高，同时也能回答一系列植物基因组进化相关的生物学问题，并为此后其他植物基因组的合成打下坚实基础。

2024年6月3日，戴俊彪课题组和钱文峰课题组在Nature Plants杂志上发表了名为“Designing a synthetic moss genome using GenoDesigner”的Perspective文章，提出了小立碗藓基因组合成计划（SynMoss)，并详细阐述了小立碗藓合成基因组的设计原则。同时，该研究开发了名为“GenoDesigner”的在线基因组编辑工具，用以实现基因组级别的大范围序列编辑和重设计，并利用该软件设计完成了首个版本的SynMoss基因组。

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该研究首先提出了小立碗藓合成基因组的三个总体原则：1）该项目的目标是用人工合成序列构建完整的染色体，而非在原有基因组上直接修改；2）合成型基因组必须能够支持小立碗藓植株的存活；3）合成型的染色体需要为后续的应用及生物学研究提供基础。

结合以往合成基因组学研究的经验和小立碗藓自身基因组的特性，该研究提出了5条具体的基因组设计规则：1）去除所有转座子序列；2）保留每个基因上、下游3 Kb、2 Kb作为启动子和终止子区域，删除剩余的基因间区；3）针对每个基因设计一对PCRmark，用于区分野生型和合成型序列；4）将全部的终止密码子替换为TAA；5）在每个基因后插入LoxPsym序列，植入用于加速基因组进化的基因组重排系统（SCRaMbLE）。

为了加速基因组的设计，减少人为错误并增进研究团队间的协作，该研究开发了名为“GenoDesigner”的基因组电脑辅助设计软件。该软件可对Gb级别的基因组进行可视化展示，能通过图形化界面进行基因组的删除、插入、替换等基础操作，同时还可以通过统一原则对全基因组进行批量编辑，提高了基因组设计的效率和灵活性。该软件不仅可用于小立碗藓基因组的设计，同时也为其他合成型基因组的设计提供了方便的工具。

中国科学院深圳先进技术研究院博士生俞文斐、中国科学院遗传与发育生物学研究所博士生张硕为论文的共同第一作者。中国科学院深圳先进技术研究院客座研究员戴俊彪、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员钱文峰与中国科学院深圳先进技术研究院高级工程师黄小罗为该论文的共同通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院研究员马英新课题组和研究员赵乔课题组、北京大学研究员焦雨铃课题组、中国科学院大学研究员汪颖课题组、深圳大学研究员莫蓓莘课题组、中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员闫建斌课题组为SynMoss计划的共同发起者，为本研究提供了相关帮助和支持。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、中国农业科学院科技创新工程、深圳市杰出人才培养基金等项目的支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01693-0

1 Venter, J. C., Glass, J. I., Hutchison, C. A. & Vashee, S. Synthetic chromosomes, genomes, viruses, and cells. Cell 185, 2708-2724, doi:10.1016/j.cell.2022.06.046 (2022).

2 Chen, L.-G. et al. A designer synthetic chromosome fragment functions in moss. Nature Plants, doi:10.1038/s41477-023-01595-7 (2024).