玉米作為雜種優勢利用最成功的作物，雜交種普及率已接近100%。然而，傳統制種技術依賴人工去雄或細胞質雄性不育系，存在成本高昂、工序復雜（如“三系法”需恢保關系制約）、潛在生產安全風險（如T型細胞質專化小斑病）等瓶頸，嚴重制約了制種產業效率。基于細胞核雄性不育的“兩系法”在水稻上已廣泛應用，但在玉米上仍未探索過其產業化可行性。

      近日，中國農業科學院作物科學研究所謝傳曉研究員團隊在《科學通報》發表題為"基因編輯創制玉米溫敏型不育系及其雜交制種應用評估"的研究論文，利用CRISPR-Cas基因編輯技術精準創制玉米溫敏核不育系，并繪制出了基于該突變體全國生態適應性地圖，為玉米雜交制種技術從細胞質不育升級至細胞核不育提供了有益的探索。

      研究團隊借鑒水稻溫敏不育基因的成功經驗，通過基因組比對鎖定玉米同源基因ZmTms5。該基因編碼RNA酶Z，通過調控花粉發育關鍵mRNA的穩定性控制育性轉換。研究人員設計了靶向ZmTms5第一外顯子的sgRNA，構建含胚乳熒光標記報告系統的編輯載體，通過農桿菌介導轉化玉米自交系，獲得22株T?代編輯材料，基因突變效率達91.0%，涵蓋+1bp插入、-20bp缺失等11種突變類型。采用種子熒光標記報告系統和Bar試紙條聯合檢測，篩選出T85-2(-1bp)、T93-4(+1bp)、T103-7(-20bp)等3個純合突變且無轉基因成分的株系。在人工氣候室控溫試驗中，突變體在四分體時間日均溫28℃時花粉活力低，表現為完全雄性不育；當溫度降至25℃時，花粉活力恢復至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；低溫環境下育性完全恢復，且株高、穗位等農藝性狀與野生型無顯著差異。

圖1.四分體時期日均氣溫（DAT）低溫與高溫時雄花育性表型

      全國14個生態試驗點鑒定了揭示了突變體地理-溫度-雄花育性耦合規律：北方春玉米區（黑河、佳木斯）、黃淮海北部（北京、石家莊）及西南高海拔區（曲靖）等日均溫≤25℃區域，育性正常，適合繁親；黃淮海南部（洛陽、新鄉）、南方丘陵區（南京、武漢）及西北干旱區等日均溫≥28℃區域，突變體雄性不育，適宜于繁雜（圖2）。

圖2.代表性生態試驗點鑒定突變體育性等表型

      本研究首次從制種產業化全流程深度將水稻溫敏不育分子機制遷移至玉米，創制出具有產業化應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產業應用繁殖親本（繁親）和雜交種（繁雜）地圖，為玉米雜交制種技術從細胞質不育升級至細胞核不育提供了有益的探索。倘獲成功實現產業化應用，與傳統方法相比，將顯著提長玉米雜交種制種生產效率，降低生產成本。值得注意的是，吐魯番極端高溫也會導致野生型不育，提示該地點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區域

      值得一提的是，該團隊此前研發基于基因編輯“一步法”高效創制“第三代”細胞核不育技術，已獲授權專利，由于保持系包含轉基因元件，正在開展轉基因生物安全評價，也將推進產業化應用，系列研究為玉米制種產業化奠定堅實的技術基礎。

      中國農業科學院作物科學研究所海南專項博士生侯留迪、中國農業科學院作物科學研究所博士生時點石為本文共同第一作者，中國農業科學院作物科學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，本研究得到了包括黑龍江省農業科學院黑河分院李金良研究員、黑龍江農墾科學院作物所李庭鋒研究員、遼寧省農業科學院玉米所王延波研究員、江蘇省農科院糧作所孔令杰研究員、河北農科院糧油所玉米中心宋煒研究員、安徽農業大學生命科學院馬慶教授、新疆農業科學院糧食作物研究所楊杰和阿布來提研究員、華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室劉磊教授、河南省洛陽市農林科學院王育紅研究員、河南省新鄉市農科院洪德峰研究員、新疆農業科學院吐魯番農業科學研究所劉翔宇研究員、云南省曲靖市農業科學院黃吉美研究員等的大力支持。該研究得到國家重點研發計劃（#2022YFF1003504-003）和國家玉米產業技術體系(#CARS-02-06)等項目資助。

      論文鏈接:

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