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JIPB | 中国农业大学宋伟彬团队利用 CRISPR/Cas12i.3 创制全球首例香型糜子

2026-06-22 16:50:16

糜子（Panicum miliaceum L.）是我国最早驯化的谷类作物之一，具有生育期短、光合效率高、耐旱耐盐碱和营养价值突出的特点，在旱作农业和特色杂粮产业中占有重要位置。随着消费者对谷物风味和健康属性的关注提高，香味逐渐成为优质粮食品种选育的重要方向。水稻中的Basmati和Jasmine等香稻品种因独特香气而具有更高市场价值，这也说明香味性状能够直接影响谷物产品的消费吸引力和商品溢价。2-乙酰-1-吡咯啉（2-AP）是多种作物香味形成的关键挥发性化合物，其积累通常与BADH基因功能缺失有关。然而，在糜子中是否存在可利用的香味BADH靶点、两个OsBADH2同源基因PmBADH2a和PmBADH2b是否共同控制2-AP积累，此前仍缺少直接遗传证据。

2026年6月1日，中国农业大学农学院宋伟彬教授团队在国际植物生物技术知名期刊《Journal of Integrative Plant Biology》在线发表了题为”Development of fragrant broomcorn millet (Panicum miliaceum L.) via CRISPR/Cas12i.3-mediated genome editing”的研究论文。研究通过 CRISPR/Cas12i.3 技术精准敲除了糜子中的两个 BADH2 同源基因（PmBADH2a 和 PmBADH2b），首次在糜子中实现了重要香味物质 2-乙酰-1-吡咯啉（2-AP）的大量积累。研究不仅揭示了 PmBADH2a 在调控种子香味中的主导作用，还通过高效、特异的基因编辑手段创制了全球首例香型糜子新种质，为这一古老作物的品质改良提供了全新的遗传资源和技术范式。

研究团队围绕糜子两个OsBADH2同源基因开展靶向编辑。PmBADH2a位于9号染色体，PmBADH2b位于18号染色体，二者被设计在第四外显子区域由ZmU6启动子驱动crRNA靶向，Cas12i.3则由ZmUBI启动子驱动表达。在农杆菌介导转化后的阳性愈伤组织池中，PmBADH2a平均编辑效率为72.7%，PmBADH2b为56.8%；在25株独立T0转基因植株中，19株（76%）携带PmBADH2a编辑，16株（64%）携带PmBADH2b编辑，双基因共编辑效率达到52%。特异性检测中，作者用Cas-OFFinder在允许3-4个错配条件下预测9个潜在脱靶位点，并对4个独立转化事件进行高通量扩增子测序；在两个靶位点均保持超过75%编辑效率的情况下，所有预测位点脱靶突变频率都极低，最高低于0.07%。随后，团队在T1代获得无T-DNA载体的突变材料：pmbadh2a-1和pmbadh2a-2分别含12 bp和26 bp缺失，pmbadh2b-1和pmbadh2b-2分别含10 bp和11 bp缺失，双突变体#2含PmBADH2a 10 bp缺失和PmBADH2b 13 bp缺失，双突变体#4含PmBADH2a 27 bp缺失和PmBADH2b 29 bp缺失。这些突变造成移码、提前终止或功能结构域破坏，从遗传上建立了BADH2功能缺失材料。

KOH嗅闻实验显示，野生型籽粒几乎没有可检测香味，pmbadh2b突变体仅有较弱香气，pmbadh2a突变体香味更明显，双突变体香味最强；qPCR显示灌浆期籽粒中PmBADH2a表达量为PmBADH2b的2.4倍，解释了PmBADH2a在香味形成中的主效作用。GC-MS定量进一步证明，成熟籽粒中双突变体pmbadh2a/b检测到6.83 mg/kg 2-AP，pmbadh2a单突变体为6.50 mg/kg，pmbadh2b单突变体为5.72 mg/kg，而野生型2-AP水平可忽略。与此同时，温室条件下6个农艺性状评估显示，编辑材料与Longmi4在株高、抽穗期、粒长、粒宽、分蘖数和百粒重方面均无显著差异；2-AP含量和百粒重数据以不少于3个重复表示，组间差异采用Tukey's HSD检验，P < 0.05作为显著性阈值。

图1：CRISPR/Cas12i.3编辑PmBADH2a/PmBADH2b提高糜子籽粒2-AP含量并产生香味

研究揭示了PmBADH2是调控糜子籽粒香味形成的关键负调控因子，其中PmBADH2a贡献更主要，PmBADH2b具有叠加效应。这项研究有意思的地方在于，它不仅验证了BADH2控制谷物香味的保守性，也把Cas12i.3这一较新的编辑工具推进到糜子品质改良场景中。更重要的是，团队获得了无T-DNA载体的香味糜子种质，且主要农艺性状未受显著影响，为后续香味糜子育种和杂粮产品品质提升提供了可直接利用的遗传资源。

原文链接：https://doi.org/10.1111/jipb.70295

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