aBIOTECH | 玉米基因编辑技术新突破！赵久然团队创新建立了玉米商业化骨干亲本系统化、工程化国产基因编辑生物育种技术体系

玉米作为全球最重要粮食作物之一，其育种技术的每一次革新都备受关注。然而，生产上大部分正在应用的亲本自交系，因缺少高效遗传转化技术体系，难以将基因编辑的精准设计快速转化为实际品种。针对我国自主创新的骨干亲本自交系，建立系统化、工程化基因编辑生物育种技术体系，已成为生物育种领域亟待攻克的焦点。

近日，北京市农林科学院玉米研究所赵久然研究员团队在aBIOTECH 发表了题为“Improved efficiency of genetic transformation for the development of elite germplasm using CRISPR/Cas12i3 in maize”的研究论文，该研究成功攻克了玉米骨干亲本自交系京724的遗传转化难题，并将新一代基因编辑工具CRISPR/Cas12i3首次应用于玉米鲜食性状的精准改良，为加速我国玉米基因编辑设计育种进程提供了强大的技术引擎。

过去，玉米遗传转化主要依赖于B104等非商业化自交系，性状转化完成之后，还需要经过多代回交转育才能应用于杂交新品种的组配。京724作为我国大面积推广主导品种京科968等十多个品种的母本，因遗传转化再生困难，难以实现高效遗传转化，限制了其基因编辑设计育种的潜力。

本团队利用Bbm/Wus2形态发育基因突破了京724的遗传转化再生技术瓶颈，实现了在该自交系中直接进行基因编辑育种的目标。在此基础上，针对转化周期长达90天以上且转化效率低的难题，优化了遗传标记筛选系统，相较于传统的除草剂抗性（bar）筛选，采用的是磷酸甘露糖异构酶（PMI/甘露糖）正向筛选系统，显著提高了愈伤组织诱导率（27.55%）、再生效率（48.42%）和转化效率（54.88%）（图1）。随后，通过提高橙色光比例和筛选压力协同优化，建立了“pmi-o”高效转化体系，成功将京724转化周期从90天缩短至约60天，并将愈伤组织诱导率、再生效率和转化效率分别提升了26%、31%和21%，为后续基因编辑育种奠定了坚实基础。

图1. 玉米骨干亲本自交系京724遗传转化技术体系

研究团队将优化的“pmi-o”转化体系与我国自主创新的基因编辑技术CRISPR/Cas12i3系统结合，对控制玉米甜质（Su1）和糯质（Wx）的关键基因进行精准编辑。在T₀代转基因植株中，纯合编辑效率达到29.41%、杂合编辑效率达到41.18%。更重要的是，首次在玉米中实现了Su1和Wx基因的同时纯合编辑（11.76%），一次性创制出甜、糯和“甜糯纯合双隐甜上位”三种不同类型的优异新种质，避免了传统回交育种耗时数年的繁琐过程（图2）。生化分析证实，编辑后的新种质籽粒成分发生了预期变化：蔗糖含量提高了约2倍，水溶性多糖含量显著增加了约9倍，这些变化正是优质鲜食玉米（甜玉米和糯玉米）风味和口感的关键。

图2. 基于玉米骨干亲本自交系京724定向创制的优新鲜食新种质

本团队所构建的“pmi-o转化+CRISPR/Cas12i3编辑+定向创制”系统化生物育种技术体系，其价值远不止突破了玉米商业化骨干亲本自交系京724的遗传转化技术瓶颈，更在于其表现出良好的广谱适用性，在黄改群、黄瑞群等其他具有基因型依赖性的自交系中也已初步展现出高效的遗传转化和基因编辑潜力，为快速聚合多重优异性状提供了一套系统性、可复制、可推广的完整方案。

该研究得到了国家自然科学基金、北京学者和北京市乡村振兴农业科技发展等项目的资助。北京市农林科学院玉米研究所王瑶、张璐、刘梦媛为本文共同第一作者，北京市农林科学院玉米研究所赵久然研究员、王荣焕研究员和刘亚研究员为共同通讯作者，团队成员周秒依、刘新香、宋子恒、李晓旭、付月和陈浩也参与了该研究。特别感谢南方科技大学朱健康院士和中国农业大学赖锦盛研究员为本研究提供CRISPR/Cas12i3基因编辑技术指导。

https://doi.org/10.1016/j.abiote.2025.100017