玉米作为杂种优势利用最成功的作物，杂交种普及率已接近100%。然而，传统制种技术依赖人工去雄或细胞质雄性不育系，存在成本高昂、工序复杂（如“三系法”需恢保关系制约）、潜在生产安全风险（如T型细胞质专化小斑病）等瓶颈，严重制约了制种产业效率。基于细胞核雄性不育的“两系法”在水稻上已广泛应用，但在玉米上仍未探索过其产业化可行性。

      近日，中国农业科学院作物科学研究所谢传晓研究员团队在《科学通报》发表题为"基因编辑创制玉米温敏型不育系及其杂交制种应用评估"的研究论文，利用CRISPR-Cas基因编辑技术精准创制玉米温敏核不育系，并绘制出了基于该突变体全国生态适应性地图，为玉米杂交制种技术从细胞质不育升级至细胞核不育提供了有益的探索。

      研究团队借鉴水稻温敏不育基因的成功经验，通过基因组比对锁定玉米同源基因ZmTms5。该基因编码RNA酶Z，通过调控花粉发育关键mRNA的稳定性控制育性转换。研究人员设计了靶向ZmTms5第一外显子的sgRNA，构建含胚乳荧光标记报告系统的编辑载体，通过农杆菌介导转化玉米自交系，获得22株T₀代编辑材料，基因突变效率达91.0%，涵盖+1bp插入、-20bp缺失等11种突变类型。采用种子荧光标记报告系统和Bar试纸条联合检测，筛选出T85-2(-1bp)、T93-4(+1bp)、T103-7(-20bp)等3个纯合突变且无转基因成分的株系。在人工气候室控温试验中，突变体在四分体时间日均温28℃时花粉活力低，表现为完全雄性不育；当温度降至25℃时，花粉活力恢复至96%以上(图1)。田间表型显示，高温条件下突变体雄穗萎缩、花药不外露；低温环境下育性完全恢复，且株高、穗位等农艺性状与野生型无显著差异。

图1.四分体时期日均气温（DAT）低温与高温时雄花育性表型

      全国14个生态试验点鉴定了揭示了突变体地理-温度-雄花育性耦合规律：北方春玉米区（黑河、佳木斯）、黄淮海北部（北京、石家庄）及西南高海拔区（曲靖）等日均温≤25℃区域，育性正常，适合繁亲；黄淮海南部（洛阳、新乡）、南方丘陵区（南京、武汉）及西北干旱区等日均温≥28℃区域，突变体雄性不育，适宜于繁杂（图2）。

图2.代表性生态试验点鉴定突变体育性等表型

      本研究首次从制种产业化全流程深度将水稻温敏不育分子机制迁移至玉米，创制出具有产业化应用前景的玉米温敏核不育系,并绘制出了基于该突变体种业产业应用繁殖亲本（繁亲）和杂交种（繁杂）地图，为玉米杂交制种技术从细胞质不育升级至细胞核不育提供了有益的探索。倘获成功实现产业化应用，与传统方法相比，将显著提长玉米杂交种制种生产效率，降低生产成本。值得注意的是，吐鲁番极端高温也会导致野生型不育，提示该地点可能不能满足父本正常开花散粉的基本要求。

图3.基于该突变体适宜的繁亲繁杂生态区域

      值得一提的是，该团队此前研发基于基因编辑“一步法”高效创制“第三代”细胞核不育技术，已获授权专利，由于保持系包含转基因元件，正在开展转基因生物安全评价，也将推进产业化应用，系列研究为玉米制种产业化奠定坚实的技术基础。

      中国农业科学院作物科学研究所海南专项博士生侯留迪、中国农业科学院作物科学研究所博士生时点石为本文共同第一作者，中国农业科学院作物科学研究所祁显涛副研究员和谢传晓研究员为共同通讯作者。同时，本研究得到了包括黑龙江省农业科学院黑河分院李金良研究员、黑龙江农垦科学院作物所李庭锋研究员、辽宁省农业科学院玉米所王延波研究员、江苏省农科院粮作所孔令杰研究员、河北农科院粮油所玉米中心宋炜研究员、安徽农业大学生命科学院马庆教授、新疆农业科学院粮食作物研究所杨杰和阿布来提研究员、华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室刘磊教授、河南省洛阳市农林科学院王育红研究员、河南省新乡市农科院洪德峰研究员、新疆农业科学院吐鲁番农业科学研究所刘翔宇研究员、云南省曲靖市农业科学院黄吉美研究员等的大力支持。该研究得到国家重点研发计划（#2022YFF1003504-003）和国家玉米产业技术体系(#CARS-02-06)等项目资助。

      论文链接:

      https://www.sciengine.com/CSB/doi/10.1360/TB-2024-1335