2021年2月25日，來自美國冷泉港實驗室David Jackson團隊在國際著名期刊“Nature Plants”線上發表了題為“Enhancing grain-yield-related traits by CRISPR–Cas9 promoter editing of maize CLE genes”的研究論文。該研究強調了基因組編輯可以改善玉米性狀的兩種不同方式，一種是基于CRISPR的啟動子編輯，另一種是利用補償和備援機制，這可能适用于不同的作物。
研究背景
玉米等谷類作物是我們的主要食物和飼料來源，玉米産量是由籽粒數量和籽粒重量共同決定的，而每穗的籽粒數取決于花序分生組織（IM）活性，IM活性由CLAVATA （CLV）-WUSCHEL（WUS）回報信号通路維持，該通路首先在拟南芥中發現，但在玉米及其他物種中很保守。在該途徑中，同源轉錄因子 WUS 在分生組織的中心表達并促進CLV3 的表達，CLV3 結合其受體 CLV1 進而抑制 WUS 表達。CLV基因的突變導緻分生組織過度增殖，玉米的花序莖和穗變大，形成更多雜亂無章和更短的籽粒行，導緻産量降低。
甲磺酸乙酯誘變産生的FASCIATED EAR 2（fea2）和FASCIATED EAR 2（fea3）的弱編碼序列等位基因導緻籽粒行的數量增加。這些弱等位基因維持分生組織和穗長，具有提高産量的潛力。弱編碼序列等位基因方法: ① EMS誘變産生的fasciated ear2 (fea2) 和fea3的弱編碼序列等位基因會導緻籽粒行數的數量增加。②使用CRISPR-Cas9編輯順式調控區域，如番茄中使用的啟動子，以設計花序軌迹的數量變異。
研究結果
1. CRISPR-Cas9系統編輯玉米中 ZmCLE7 和 ZmFCP1的啟動子
利用ATAC-seq和MNase-seq資料，确定編輯了ZmCLE7和ZmFCP1的啟動子區域，以達到能有效操縱基因表達的目的。分析獲得了兩個基因的多個弱等位基因，其中ZmCLE7和ZmFCP1表達顯著減少。進一步觀察發現ZmCLE7 和FCP1啟動子編輯的等位基因能夠維持正常的IM結構。
圖 1：CRISPR-Cas9 突變 ZmCLE7 和 ZmFCP1 啟動子
2. ZmCLE7 和FCP1啟動子編輯的等位基因可以提高玉米産量
ZmCLE7 和 ZmFCP1 啟動子編輯的等位基因顯著增加了大多數與産量相關的性狀，包括穗徑、穗粗、籽粒行數、籽粒深度、穗重和單穗産量。它們在自交系背景及雜交種背景下，均能顯著提升産量。
圖 2：ZmCLE7 和 ZmFCP1 啟動子編輯的等位基因可以增加谷物産量
3. ZmCLE1E5可部分互補ZmCLE7的功能
除 ZmCLE7 和 ZmFCP1 外，玉米中還注釋了 47 個 CLE 基因，除 ZmFCP1 在 Zmcle7 突變體中上調外，還發現ZmCLE1E5也被上調。該基因在Zmcle7突變體中表現出補償性上調。ZmCLE1E5表現出與ZmCLE7啟動子弱等位基因相似的作用。
圖3：ZmCLE1E5缺失的無效等位基因增加分生組織大小和籽粒産量相關性狀。
圖4：兩種政策編輯CLV-WUS途徑中的三個CLV3直向同源物，可定量提高玉米産量
通過使用 CRISPR-Cas9 系統編輯 CLE 基因的啟動子弱等位基因和鑒定到的部分備援補償 CLE 基因的無效等位基因，設計了玉米産量相關性狀的定量變異。這些政策改善了多種與玉米産量相關的性狀，展現了基因組編輯在作物改良中的巨大潛力。
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