Nature Biotechnol | 利用基因编辑技术创制高产糯玉米

虽然现在公认玉米 （Zea mays） 起源于美洲，但是很少有人知道糯玉米是在中国第一次被发现的，起初由于这些自发突变产生的糯玉米产量较低，大多是用来研究其他优良性状的材料。大约在上个世纪三四十年代，遗传学家发现了玉米中支链淀粉和直链淀粉的存在，人们才开始对所谓糯玉米进行关注和研究。目前，糯玉米的应用范围已经从简单的提供食物来源扩展到牲畜饲料、工业胶黏剂生产等多个领域，拥有巨大的商业价值。

已知传统的糯玉米品种多是由于自然突变产生的，研究人员已经清楚玉米Waxy （wx） 基因突变后，使得支链淀粉占种子中淀粉的比重达到100% 【1】 。经典的育种方法，即将突变的wx基因通过杂交的方式导入具有优良性状的品种，虽然支链淀粉的比重提高了，但是往往杂交糯玉米的产量降低了，导致这一现象的遗传学基础还不清楚。目前基因编辑技术和植物遗传转化技术的进步给糯玉米的育种带来了新的机遇。

近日，世界上最大的纯农业组织美国科迪华农业技术公司在国际期刊NATURE BIOTECHNOLOGY上发表一篇论文，Superior field performance of waxy corn engineered using CRISPR-Cas9。该研究利用CRISPR-Cas9编辑技术直接编辑12个玉米优良品种，创制出高产糯玉米品种，而且田间三年的产量表现优于传统杂交品种。

该研究首先利用基因编辑技术在12个玉米品种上实现了waxy 基因大片段 （4kb 和6kb） 的缺失，共转含有新霉素磷酸转移酶基因 （neomycin phosphotransferase II） 和发育基因Baby boom, Wuschel2 的载体促进转化成功和后续转化苗筛选 【2】 。获得的T0代突变体与野生型WT杂交产生BC0后代，研究人员分别用qPCR和Sourthen-by-Sequencing技术 【3】 筛选到不携带转基因的突变体杂合后代，再次与WT回交产生BC1后代，BC1自交后结实获得BC1F2群体用于后续杂交和产量分析。

脱靶率检测结果显示产生的BC1株系不存在脱靶现象，编辑后的玉米粒在形态学上与传统杂交产生的品系没有明显的差异，碘染色实验证实了糯玉米的特点，支链淀粉产量也达到了理想状态。

最后，研究人员评估了CRISPR 编辑产生的品系与传统育种品系在田间的表现，25个不同地点的数据显示前者的产量在不同程度上高于后者，并且其他重要的性状没有明显差异，说明直接编辑的策略可能克服了传统育种造成糯玉米产量下降的现象。值得注意的是，美国USDA已经将本研究生产的糯玉米列为非GMO产品 【4】 ；此外，阿根廷、巴西、智利也有相似的政策出台。

因此，该研究证实了基因编辑技术可以促进商业化玉米育种进程，并且多项指标显示可以克服传统育种的短板，有缩短育种周期和不影响其他性状等优点。基因编辑带来的农业技术革命极大促进了植物育种的进程，食品安全问题的关注需要科学知识的大范围普及，相信基因编辑的非转基因食品在得到公众认可之后，很快就会到普通人的餐桌上。

Reference:

【1】 Nelson, O. & D. Pan, 1995. Starch synthesis in maize endosperms. Ann Rev Plant Physiol Plant Molec Biol 46: 475–496

【2】 Lowe K, Wu E, Wang N, Hoerster G, Hastings C, Cho MJ, Scelonge C, Lenderts B, Chamberlin M, Cushatt J, et al (2016) Morphogenic regulators Baby boom and Wuschel improve monocot transformation. Plant Cell 28: 1998–2015

【3】 Zastrow-Hayes GM, Lin H, Sigmund AL, Hoffman JL, Alarcon CM, Hayes KR, Richmond TA, Jeddeloh JA, May GD, Beatty MK (2015) Southern-by-sequencing: a robust screening approach for molecular characterization of genetically modified crops. Plant Genome 8:1–15

【4】

https://doi.org/10.1038/s41587-020-0444-0