玉米作為雜種優(yōu)勢(shì)利用最成功的作物，雜交種普及率已接近100%。然而，傳統(tǒng)制種技術(shù)依賴人工去雄或細(xì)胞質(zhì)雄性不育系，存在成本高昂、工序復(fù)雜（如“三系法”需恢保關(guān)系制約）、潛在生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)（如T型細(xì)胞質(zhì)?；“卟。┑绕款i，嚴(yán)重制約了制種產(chǎn)業(yè)效率?；诩?xì)胞核雄性不育的“兩系法”在水稻上已廣泛應(yīng)用，但在玉米上仍未探索過其產(chǎn)業(yè)化可行性。
近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所謝傳曉研究員團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表題為"基因編輯創(chuàng)制玉米溫敏型不育系及其雜交制種應(yīng)用評(píng)估"的研究論文，利用CRISPR-Cas基因編輯技術(shù)精準(zhǔn)創(chuàng)制玉米溫敏核不育系，并繪制出了基于該突變體全國(guó)生態(tài)適應(yīng)性地圖，為玉米雜交制種技術(shù)從細(xì)胞質(zhì)不育升級(jí)至細(xì)胞核不育提供了有益的探索。
研究團(tuán)隊(duì)借鑒水稻溫敏不育基因的成功經(jīng)驗(yàn)，通過基因組比對(duì)鎖定玉米同源基因ZmTms5。該基因編碼RNA酶Z，通過調(diào)控花粉發(fā)育關(guān)鍵mRNA的穩(wěn)定性控制育性轉(zhuǎn)換。研究人員設(shè)計(jì)了靶向ZmTms5第一外顯子的sgRNA，構(gòu)建含胚乳熒光標(biāo)記報(bào)告系統(tǒng)的編輯載體，通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化玉米自交系，獲得22株T?代編輯材料，基因突變效率達(dá)91.0%，涵蓋+1bp插入、-20bp缺失等11種突變類型。采用種子熒光標(biāo)記報(bào)告系統(tǒng)和Bar試紙條聯(lián)合檢測(cè)，篩選出T85-2(-1bp)、T93-4(+1bp)、T103-7(-20bp)等3個(gè)純合突變且無轉(zhuǎn)基因成分的株系。在人工氣候室控溫試驗(yàn)中，突變體在四分體時(shí)間日均溫28℃時(shí)花粉活力低，表現(xiàn)為完全雄性不育；當(dāng)溫度降至25℃時(shí)，花粉活力恢復(fù)至96%以上(圖1)。田間表型顯示，高溫條件下突變體雄穗萎縮、花藥不外露；低溫環(huán)境下育性完全恢復(fù)，且株高、穗位等農(nóng)藝性狀與野生型無顯著差異。
圖1.四分體時(shí)期日均氣溫（DAT）低溫與高溫時(shí)雄花育性表型
全國(guó)14個(gè)生態(tài)試驗(yàn)點(diǎn)鑒定了揭示了突變體地理-溫度-雄花育性耦合規(guī)律：北方春玉米區(qū)（黑河、佳木斯）、黃淮海北部（北京、石家莊）及西南高海拔區(qū)（曲靖）等日均溫≤25℃區(qū)域，育性正常，適合繁親；黃淮海南部（洛陽(yáng)、新鄉(xiāng)）、南方丘陵區(qū)（南京、武漢）及西北干旱區(qū)等日均溫≥28℃區(qū)域，突變體雄性不育，適宜于繁雜（圖2）。
圖2.代表性生態(tài)試驗(yàn)點(diǎn)鑒定突變體育性等表型
本研究首次從制種產(chǎn)業(yè)化全流程深度將水稻溫敏不育分子機(jī)制遷移至玉米，創(chuàng)制出具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景的玉米溫敏核不育系,并繪制出了基于該突變體種業(yè)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用繁殖親本（繁親）和雜交種（繁雜）地圖，為玉米雜交制種技術(shù)從細(xì)胞質(zhì)不育升級(jí)至細(xì)胞核不育提供了有益的探索。倘獲成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，與傳統(tǒng)方法相比，將顯著提長(zhǎng)玉米雜交種制種生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。值得注意的是，吐魯番極端高溫也會(huì)導(dǎo)致野生型不育，提示該地點(diǎn)可能不能滿足父本正常開花散粉的基本要求。
圖3.基于該突變體適宜的繁親繁雜生態(tài)區(qū)域
值得一提的是，該團(tuán)隊(duì)此前研發(fā)基于基因編輯“一步法”高效創(chuàng)制“第三代”細(xì)胞核不育技術(shù)，已獲授權(quán)專利，由于保持系包含轉(zhuǎn)基因元件，正在開展轉(zhuǎn)基因生物安全評(píng)價(jià)，也將推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，系列研究為玉米制種產(chǎn)業(yè)化奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所海南專項(xiàng)博士生侯留迪、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所博士生時(shí)點(diǎn)石為本文共同第一作者，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所祁顯濤副研究員和謝傳曉研究員為共同通訊作者。同時(shí)，本研究得到了包括黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院黑河分院李金良研究員、黑龍江農(nóng)墾科學(xué)院作物所李庭鋒研究員、遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米所王延波研究員、江蘇省農(nóng)科院糧作所孔令杰研究員、河北農(nóng)科院糧油所玉米中心宋煒研究員、安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)院馬慶教授、新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所楊杰和阿布來提研究員、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉磊教授、河南省洛陽(yáng)市農(nóng)林科學(xué)院王育紅研究員、河南省新鄉(xiāng)市農(nóng)科院洪德峰研究員、新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院吐魯番農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所劉翔宇研究員、云南省曲靖市農(nóng)業(yè)科學(xué)院黃吉美研究員等的大力支持。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（#2022YFF1003504-003）和國(guó)家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(#CARS-02-06)等項(xiàng)目資助。
論文鏈接:
https://www.sciengine.com/CSB/doi/10.1360/TB-2024-1335
