中国农科院作科所优化玉米碱基编辑技术——多重位点纯合突变效率

单核苷酸多态性 ( SNP ) 是玉米等作物遗传与表型多样性的主要遗传基础，对表型变异的贡献率超过 50% ( Wright et al., 2005 )。碱基编辑 ( Base Editing ， BE ) 是指能够在不引入双链 DNA 断裂的情况下，直接对基因组中的特定碱基进行精准的碱基替换 (转换或颠换) 的基因编辑技术。因此，建立精准高效的碱基编辑技术具有重要的科学和产业应用的潜力与价值。此前，玉米 BE 碱基编辑效率长期停滞于较低水平，平均 ≤25% ，纯合突变率不足 10% ，成为制约精准育种的“卡点 ” 难题。

近日， JIPB 在线发表了中国农科院作物科学研究所 谢传晓 研究员团队题为 "Development of cytosine and adenine base editors for maize precision breeding" 的研究论文 ( https://doi.org/10.1111/jipb.13964 ) 。该研究采用多种脱氨酶变体，构建了高效的玉米腺嘌呤碱基编辑器 ( ABE ) 和胞嘧啶碱基编辑器 ( CBE )，在玉米中实现高效多重靶标基因 BE 编辑，多重位点纯合 BE 效率高达 70% 以上，为玉米基础研究与产业化应用提供了高效精准碱基编辑技术。该研究还针对乙酰辅酶 A 羧化酶 ( ZmACC1 / ZmACC12 ) 基因创制了耐除草剂玉米，为玉米大豆复合种植模式的田间除草管理提供了新的解决方案。

研究团队基于 4 种胞苷脱氨酶和 2 种腺苷脱氨酶变体 ( Gaudelli et al., 2020; Richter et al., 2020; Thuronyi et al., 2019) ，构建了多个适用于玉米的 CBE ( 胞嘧啶碱基编辑器) 和 ABE ( 腺嘌呤碱基编辑器)。通过玉米原生质体的瞬时表达和稳定转化体系，系统评估了各编辑器的编辑效率、窗口大小和序列背景依赖性。结果表明，优化后的 CBE-evoCDA1 和 ABE-TadA8.20 ，在特定位点上可实现最高 78.6% 和 100% 的编辑效率 (图 1A-B )。为提升多靶点编辑能力，研究引入了复合型启动子 ( 35S-CmYLCV-ZmU6 ) 驱动的多 sgRNA 串联表达策略，实现了 4 个位点的同时高效编辑，单位点编辑效率达 79.0% - 89.5% ，四位点共编辑纯合体达 73.6% ( 图 1C-D) 。

在高效碱基编辑系统基础上，研究团队靶向修饰玉米乙酰辅酶 A 羧化酶基因( ZmACC1/2 )，共获得 9 种 ZmACC1 或 ZmACC2 的单 / 双基因突变体材料。通过喷施多种 ACCase 抑制剂类除草剂，发现 ZmACC2 突变体表现出广谱、强效的抗除草剂能力 (图 1E ) 进一步将 ZmACC1/2 共突变体与大豆品种“中黄 301 ”进行田间复合种植验证，在喷施两种代表性除草剂后，突变体玉米表现出良好生长状态，而野生型玉米及杂草均被有效清除 (图 1F )。

图 1. 玉米高效 CBE/ABE 碱基编辑系统及其在除草剂抗性精准改良中的应用

综上，本研究系统构建并验证了高效、可多重编辑的玉米碱基编辑平台，成功创制出具备稳定抗大豆专用除草剂能力的新型玉米种质。该成果为破解玉米 - 大豆复合种植中 “ 一体化除草 ” 难题提供了新的替代路径，也为玉米精准生物育种奠定了技术支撑。

中国农业科学院作物科学研究所博士研究生 符晓 为该论文的第一作者， 朱金洁 副研究员和 谢传晓 研究员为论文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划 ( 2023YFD1202901) 、农业生物育种国家科技重大专项 ( 2022ZD04006 ) 和河南省重点研发计划 等项目的资助。

参考文献： Wright, S. I., Bi, I. V., Schroeder, S. G., Yamasaki, M., Doebley, J. F., McMullen, M. D., and Gaut, B. S . (2005). The effects of artificial selection on the maize genome . Science 308: 1310-1314 . Li, Y., Zhu, J., Wu, H., Liu, C., Huang, C., Lan, J., Zhao, Y., and Xie. C . (2020). Precise base editing of non-allelic acetolactate synthase genes confers sulfonylurea herbicide resistance in maize . Crop J. 8: 449-456 . Guadelli, N. M., Lam, D. K., Ree, H. A., Solá-Esteves , N. M., Barrera, L. A., Born, D. A., Edwards, A. Gehrke, J. M., Lee, S.-J., Liquori, A. J., et al . (2020). Directed evolution of adenine base editors with increased activity and therapeutic application. Nat. Biotechnol. 38: 892-900 . Richter, M. F., Zhao, K. T., Eton, E., Lapinaite, A., Newby, G. A., Thuronyi, B. W., Wilson, C., Koblan, L. W., Doudna, J. A., Liu, D. R., et al. (2020) . Phage-assisted evolution of an adenine base editor with improved Cas domain compatibility and activity. Nat. Biotechnol. 38: 883-891. Thuronyi, B.W., Koblan, L.W., Levy, J.M., Yeh, W.H., Zheng, C., Newby, G.A., Wilson, C., Bhaumik, M., Shubina-Oleinik, O., Holt, J.R., ey al. (2019). Continuous evolution of base editors with expanded target compatibility and improved activity. Nat. Biotechnol. 37: 1070-1079. 文章引用： Fu, X., Wang, N., Li, L., Qiao, D., Qi, X., Liu, C., Gao, Z., Xie, C., and Zhu, J . (2025). Development of cytosine and adenine base editors for maize precision breeding . J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.13964

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