2021年2月25日，来自美国冷泉港实验室David Jackson团队在国际著名期刊“Nature Plants”在线发表了题为“Enhancing grain-yield-related traits by CRISPR–Cas9 promoter editing of maize CLE genes”的研究论文。该研究强调了基因组编辑可以改善玉米性状的两种不同方式，一种是基于CRISPR的启动子编辑，另一种是利用补偿和冗余机制，这可能适用于不同的作物。
玉米等谷类作物是我们的主要食物和饲料来源，玉米产量是由籽粒数量和籽粒重量共同决定的，而每穗的籽粒数取决于花序分生组织（IM）活性，IM活性由CLAVATA （CLV）-WUSCHEL（WUS）反馈信号通路维持，该通路首先在拟南芥中发现，但在玉米及其他物种中很保守。在该途径中，同源转录因子 WUS 在分生组织的中心表达并促进CLV3 的表达，CLV3 结合其受体 CLV1 进而抑制 WUS 表达。CLV基因的突变导致分生组织过度增殖，玉米的花序茎和穗变大，形成更多杂乱无章和更短的籽粒行，导致产量降低。
甲磺酸乙酯诱变产生的FASCIATED EAR 2（fea2）和FASCIATED EAR 2（fea3）的弱编码序列等位基因导致籽粒行的数量增加。这些弱等位基因维持分生组织和穗长，具有提高产量的潜力。
弱编码序列等位基因方法: ① EMS诱变产生的fasciated ear2 (fea2) 和fea3的弱编码序列等位基因会导致籽粒行数的数量增加。②使用CRISPR-Cas9编辑顺式调控区域，如番茄中使用的启动子，以设计花序轨迹的数量变异。
1. CRISPR-Cas9系统编辑玉米中 ZmCLE7 和 ZmFCP1的启动子
利用ATAC-seq和MNase-seq数据，确定编辑了ZmCLE7和ZmFCP1的启动子区域，以达到能有效操纵基因表达的目的。分析获得了两个基因的多个弱等位基因，其中ZmCLE7和ZmFCP1表达显著减少。进一步观察发现ZmCLE7 和FCP1启动子编辑的等位基因能够维持正常的IM结构。
图 1：CRISPR-Cas9 突变 ZmCLE7 和 ZmFCP1 启动子
2. ZmCLE7 和FCP1启动子编辑的等位基因可以提高玉米产量
ZmCLE7 和 ZmFCP1 启动子编辑的等位基因显著增加了大多数与产量相关的性状，包括穗径、穗粗、籽粒行数、籽粒深度、穗重和单穗产量。它们在自交系背景及杂交种背景下，均能显著提升产量。
图 2：ZmCLE7 和 ZmFCP1 启动子编辑的等位基因可以增加谷物产量
3. ZmCLE1E5可部分互补ZmCLE7的功能
除 ZmCLE7 和 ZmFCP1 外，玉米中还注释了 47 个 CLE 基因，除 ZmFCP1 在 Zmcle7 突变体中上调外，还发现ZmCLE1E5也被上调。该基因在Zmcle7突变体中表现出补偿性上调。ZmCLE1E5表现出与ZmCLE7启动子弱等位基因相似的作用。
图3：ZmCLE1E5缺失的无效等位基因增加分生组织大小和籽粒产量相关性状。
图4：两种策略编辑CLV-WUS途径中的三个CLV3直向同源物，可定量提高玉米产量
通过使用 CRISPR-Cas9 系统编辑 CLE 基因的启动子弱等位基因和鉴定到的部分冗余补偿 CLE 基因的无效等位基因，设计了玉米产量相关性状的定量变异。这些策略改善了多种与玉米产量相关的性状，体现了基因组编辑在作物改良中的巨大潜力。
