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World File Search System轮回亲本
基因编辑加速作物育种
正向育种是指在适当的环境中选择具有改良性能的重组体，它一直是作物产量随时间推移不断提高的驱动力。杂种优势的发现（杂种优势是指杂交品种相对于其自交系亲本而言具有改良性能）大大提高了杂交育种早期阶段的产量提高率（Sivasankar 等人，2012 年）。生物和非生物胁迫会降低产量，并造成潜在产量与实际产量之间的差距（Duvick，2005 年）。正向育种对于作物改良必不可少，尤其是对于复杂性状和胁迫环境而言，这是一个资源密集且耗时的过程。即使是由单个基因遗传的简单性状，也需要多次回交 (BC) 才能重建受体亲本的基因组。通过传统方法引入性状的另一个缺点是产量拖累，这个术语用来指供体亲本中不需要的基因导致的粮食产量降低，即使经过多次回交，这些基因仍然存在。由于这些基因之前未经过农艺性能选择，它们往往会降低转化品种的可收获产量。假设不进行选择且不抑制重组，则在 m 次回交后仍会保留下来的供体亲本基因数为 n ∗ d ∗ (1/2) m，其中 d 是供体与优良品系之间差异基因座的比例，n 是作物物种中的基因总数。例如，面包小麦有 ∼ 110 K 基因（ Consortium et al., 2018 ）。如果野生供体种质与轮回亲本在 30% 的基因座上存在差异，则经过四次回交后，转化品种中将继续存在一千多个来自供体亲本的基因。在差异很大的品系之间的杂交中，有限的重组可能会限制供体亲本的基因组片段被引入轮回亲本基因组的比例，但也可能对减少渗入的供体片段的大小构成挑战，从而增加连锁累赘的可能性（Hao et al., 2020）。标记可以帮助减少（但不能消除）BC1 阶段的供体亲本基因组片段。在资源有限的情况下开展的育种计划将
利用 CRISPR–Cas9 基因改造的糯玉米具有优越的田间性能
我们通过 CRISPR–Cas9 编辑 12 个优良玉米自交系中的蜡质等位基因，创造了蜡质玉米杂交种，这一过程比使用回交和标记辅助选择的传统性状基因渗入快了一年多。在 25 个地点进行的田间试验表明，CRISPR-蜡质杂交种在农艺上优于基因渗入杂交种，平均每英亩产量高出 5.5 蒲式耳。玉米蜡质基因 (Wx，也称为 Wx1) 编码一种颗粒结合的 NDP-葡萄糖-淀粉葡萄糖基转移酶，该酶负责延长直链淀粉中葡萄糖聚合物的线性链 1。野生型 (WT) 种子淀粉由~25% 直链淀粉和~75% 支链淀粉组成，而功能丧失的 wx 突变种子淀粉则由~100% 的支链淀粉组成，这使胚乳具有像蜡烛一样暗淡而光滑的外观 2 ，因此得名“糯玉米”。糯玉米淀粉用于造纸和粘合剂工业，并在食品工业中用作稳定剂和增稠剂 3 。美国每年在约 500,000 英亩的土地上生产约 8000 万蒲式耳糯玉米。有~200 个 wx 突变等位基因是自发产生的，通过随机诱变产生的，或通过非优良品系中的 CRISPR-Cas 靶向诱变产生的 4,5 。其中，wx-C 等位基因是现代商业糯玉米杂交种中使用最广泛的 wx 供体。商业化糯玉米杂交种是通过将 wx 突变基因渗入优良自交系而开发的。基因渗入通常需要与轮回亲本回交六到七代并自交才能获得用于商业化杂交生产的自交系。糯玉米杂交种的产量比对应的非糯玉米杂交种低约 5% 3 。产量降低的原因尚不清楚；可能是由于性状基因渗入造成的连锁累赘或 wx 突变导致的淀粉性质改变。使用 CRISPR-Cas9 进行基因组编辑和改进的转化技术 6 – 9 有可能缩短糯玉米杂交种的上市时间并消除回交过程中出现的连锁累赘。我们报道了使用 CRISPR-Cas9 和形态发生基因直接在 12 个优良玉米自交系中产生糯玉米缺失等位基因并进行多点产量测试的情况，所有这些过程耗时三年，这比基因渗入方法快得多。使用图 1a 中概述的策略，在优良自交系中生成了两个蜡质缺失等位基因，即 4 千碱基 (kb) 和 6 kb 缺失。为了在自交系 PH184C 中生成 4 kb 缺失系，将编码基因组编辑试剂 (指导对 CR1/CR3 和 Cas9；补充图 1) 的 DNA 引入未成熟胚胎中