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小麦DNA-free基因组编辑体系构建与玉米抗旱种质创新研究

一、引言

1.1研究背景与意义

粮食安全是全球性议题，关乎人类的生存与发展。小麦和玉米作为世界上最重要的两大粮食作物，其稳定的产量和优良的品质对保障全球粮食供应起着举足轻重的作用。据联合国粮食及农业组织（FAO）数据显示，全球小麦和玉米的种植面积广泛，是数十亿人口的主食来源，在人类饮食结构和农业经济体系中占据核心地位。

然而，随着全球气候变化加剧，极端气候事件频发，干旱、高温等非生物胁迫日益严重，给小麦和玉米的生产带来了严峻挑战。例如，在一些干旱地区，小麦和玉米因缺水导致生长发育受阻，产量大幅下降，严重影响了当地的粮食供应和经济发展。同时，传统育种技术在应对这些复杂多变的环境挑战时，存在周期长、效率低等局限性，难以满足现代农业快速发展的需求。

基因组编辑技术的出现，为作物遗传改良带来了革命性的变化。它能够精确地对作物基因组进行靶向修饰，实现对目标性状基因的精准调控，为培育高产、优质、抗逆的作物新品种提供了强有力的技术支持。在小麦基因组编辑方面，建立高效、安全的DNA-free基因组编辑体系，能够避免传统方法中外源DNA整合带来的潜在风险，有助于加快小麦遗传改良进程，培育出更适应环境变化、具有更高产量和品质的小麦新品种。而在玉米抗旱种质资源创制方面，利用基因编辑技术挖掘和利用抗旱基因，能够有效提高玉米的抗旱能力，保障玉米在干旱条件下的产量稳定，对于拓展玉米种植区域、提高农业生产的可持续性具有重要意义。

本研究聚焦于小麦DNA-free基因组编辑体系的建立及玉米抗旱种质资源的创制，旨在突破传统育种技术的瓶颈，为小麦和玉米的遗传改良提供创新性的技术手段和种质资源。通过本研究，有望提高小麦和玉米的抗逆性和产量，增强我国粮食生产的稳定性和安全性，同时也为其他作物的遗传改良提供借鉴和参考，推动我国农业育种技术的创新发展，在保障国家粮食安全和促进农业可持续发展方面具有关键价值。

1.2国内外研究现状

1.2.1小麦DNA-free基因组编辑体系研究进展

早期的常规植物基因组编辑手段，多依赖农杆菌或基因枪将CRISPR/Cas9DNA表达框导入植物基因组。这种方式虽然实现了基因编辑，但存在诸多弊端。从脱靶效应来看，由于CRISPR/Cas9系统对靶点识别的特异性并非绝对完美，较高的潜在脱靶效应可能导致非预期的基因突变，影响作物的其他性状；在编辑植株的培育过程中，易出现嵌合体现象，使得编辑效果的鉴定和筛选变得复杂；而且，若想获得无CRISPR/Cas9DNA的植物突变体，需通过后代分离，这不仅耗费大量时间和精力，还增加了育种成本。

随着研究的深入，科研人员开始探索改进方法。中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组通过瞬时表达CRISPR/Cas9的DNA或RNA，降低了外源DNA的整合几率。但CRISPR/Cas9DNA进入细胞后仍有降解产生小片段DNA整合到基因组的可能，而CRISPR/Cas9RNA瞬时表达技术对实验操作要求高，生产成本也居高不下。

在此背景下，DNA-free基因组编辑体系应运而生并迅速发展。其中，CRISPR/Cas9RNP技术成为研究热点。该技术将CRISPR/Cas9蛋白和gRNA在体外组装成核糖核蛋白复合体，再利用基因枪法转入小麦细胞。高彩霞研究组利用此技术在两个六倍体小麦品种中对tagw2和tagasr7基因进行定点编辑，成功建立了全程无外源DNA的基因组编辑体系。研究结果表明，相较于CRISPR/Cas9的DNA或RNA瞬时表达体系，CRISPR/Cas9的RNP能明显降低脱靶效应，具有精准、特异、简单易行、成本低廉的优势，还成功避免了外源DNA片段整合到基因组中的潜在风险，为小麦基因组编辑开辟了新路径，极大地推动了小麦遗传改良的进程。目前，国内外众多科研团队围绕CRISPR/Cas9RNP技术在小麦中的应用展开深入研究，不断优化技术参数，拓展编辑基因的范围，进一步提升编辑效率和稳定性。

1.2.2玉米抗旱种质资源研究现状

干旱对玉米的生长发育和产量影响显著。在玉米生长过程中，干旱会抑制其生长速率，使发育期延迟或缩短，导致株高变矮、叶片干卷萎蔫、果穗穗长变短、果粒数减少。若干旱发生在抽雄前15天左右，会引起不抽穗或小穗小花数目减少，造成“卡脖旱”，延期抽雄及授粉，降低结实率；干旱发生在抽雄开花前后，由于此时玉米新陈代谢最为旺盛，对水分要求达到最高峰，干旱会缩短花粉寿命，推迟雌雄抽出的时间，授粉不好，导致严重减产甚至绝收。据统计，全球每年因干旱造成的玉米产量损失高达数百万吨，严重威胁粮食安全。

为应对干旱挑战，科研人