CRISPR-Cas9技术创造新型超甜与糯性复合型玉米
近日，中国农业科学院作物科学研究所玉米分子育种技术和应用创新团队与安徽农业大学合作，利用基因编辑技术创制超甜、糯与超甜糯复合型鲜食玉米育种技术，该研究克服了传统超甜与糯性玉米育种中仅通过回交导入少数已发现的自然突变的局限，并同时解决了同一代谢途径中上游基因对下游基因上位性效应对育种选择的困扰，为高效培育超甜玉米、糯玉米、以及甜糯复合型玉米品种提供了新的技术策略，相关成果以“Super-sweet and waxy: meeting the diverse demands for specialty maize by genome editing” 为题发表于国际主流生物技术学术期刊《植物生物技术杂志（Plant Biotechnology Journal）》上。
玉米光合同化机制把太阳能转化成化学能合成的单糖与寡糖运输到籽粒胚乳细胞质并在酶作用下水解形成1-磷酸葡萄糖，之后在腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）作用下生成淀粉合成的主要底物腺苷二磷酸葡萄糖。已有研究发现， SH2 基因编码AGPase大亚基（图a），位于淀粉合成途径的上游，对下游基因具有上位效应，突变导致籽粒胚中可溶性糖积累，形成超甜表型，是超甜型玉米育种主要目标基因。 WX 基因编码颗粒结合型淀粉合成酶，催化生成直链淀粉，该酶失活将导致直链淀粉合成途径受阻，在籽粒胚乳与花粉中主要生成支链淀粉，表现为糯性。
本研究构建同时靶向玉米 WX 与 SH2 基因的CRISPR/Cas9基因编辑系统（图b），在后代中高效分离 SH2 与 WX 单基因与双基因突变的突变系(图c,d)，从而实现超甜玉米与糯玉米材料的高效创制，同时，利用玉米单交种特性将双隐性突变系( sh2sh2wxwx )与单隐性突变系（ SH2SH2wxwx ）杂交，验证了超甜与糯性复合型玉米的玉米育种途径(图e,f)。表型鉴定结果表明(图f,g,i,j)， WX 基因单隐性突变系（ SH2SH2wxwx ）支链淀粉含量超过96%(图i)，双隐性突变系( sh2sh2wxwx )与单隐性突变系( sh2sh2WXWX )授粉22天后籽粒可溶性糖含量超过鲜重10%；进一步将创制的双隐突变（ sh2sh2wxwx ） 株系与单隐突变（ SH2SH2wxwx）株系进行杂交，该F1果穗上同时具有超甜籽粒( sh2sh2wxwx )和糯性籽粒( SH2-wxwx )，且经鉴定超甜籽粒和糯性籽粒具有1∶3分离比(图f)，为穗上甜糯1∶3复合型鲜食玉米品种，其可溶性糖含量显著（p<0.05）高于糯性单隐突变(图g)。因此，能够满足人们对超甜与糯性复合风味的鲜食玉米的需求。该研究为通过基因编辑创制鲜食玉米提供了范例，该策略还可拓展到 su1 、 su2 、 sh1 、 sh2 、 sh4 、 bt1 、 bt2 等诸多基因的利用当中，结合这些突变将可培育具有不同甜糯表型分离比的特用杂交种品种。本研究对围绕淀粉代谢途径开发更多符合市场需求的玉米品种具有重要的现实意义与应用价值。
该研究得到了北京市科委重大项目、广东省重大研究计划与中国农业科学院创新工程等项目资助。
