中国农科院作科所利用ABE精准改造SbALS，高效创制抗除草剂高粱

日期:05-21-2026

世界农化网中文网报道：2026年5月18日，JIPB在线发表了中国农业科学院作物科学研究所顿宝庆等团队的最新研究进展：″Engineering herbicide-resistant sorghum with CRISPR/Cas9-mediated adenine base editing″。该研究利用CRISPR/Cas9介导的ABE系统，对高粱SbALS基因进行定点A-to-G编辑，成功获得SbALS W545R/SbALS杂合突变材料。该材料在温室和田间条件下均表现出对咪唑乙烟酸的明显抗性，并且在株高、分蘖数、茎粗、穗长、单穗重和千粒重等主要农艺性状上与未处理野生型无显著差异。

研究首先聚焦于ALS这一经典除草剂靶标基因。ALS参与支链氨基酸生物合成，其保守位点突变已被证明能够赋予多种作物对ALS抑制剂类除草剂的抗性。

在不同物种ALS蛋白序列比对中，高粱SbALS的W545位点与拟南芥ALS的W574位点、玉米W542位点、水稻W548位点以及小麦对应位点高度保守（图1A）。基于这一保守性，作者选择将高粱SbALS的W545定点改造为精氨酸，即构建SbALS W545R突变。

为了实现这一氨基酸替换，研究在SbALS上设计sgRNA，使目标碱基发生A-to-G转换，从而将TGG密码子改为CGG，最终产生W545R替换（图1B）。

图1A-C

作者将密码子优化后的TadA-8e连接在nCas9上游，形成ABE8e编辑器。为了增强sgRNA表达，载体中使用高粱内源SbU6启动子，并结合35S与CmYLCV形成复合启动子，用于驱动tRNA-sgRNA-HDV表达模块（图1C）。

在高粱原生质体中测试该系统后，Hi-TOM测序检测到预期A-to-G编辑。三次独立实验中，编辑效率分别为10.3%、11.9%和12.7%，平均达到11.6%。这一结果说明，该ABE8e系统能够在高粱细胞中实现目标碱基转换。

在原生质体验证后，研究将该ABE构建导入常规粒用高粱品种P184。

作者采用农杆菌介导的幼胚转化方法，共处理217个幼胚，最终获得17株再生植株。其中12株经Sanger测序确认携带转基因元件，4株为目标SbALS W545R杂合编辑株，对应目标位点编辑效率为33.3%（图1D,E）。

图1D-G

同时，研究检测了5个预测脱靶位点，未发现脱靶编辑事件。不过，原文也明确指出，未来仍需通过全基因组分析进一步评估高粱中的潜在脱靶效应。

获得T0编辑植株后，研究继续分析其后代遗传情况。四株SbALS W545R/SbALS植株的T1后代中，转基因元件分离符合孟德尔遗传规律，说明亲本中转基因插入为单拷贝。同时，SbALS W545R编辑等位基因能够稳定传递到下一代。

但值得注意的是，无论T1后代是否携带转基因元件，作者均未获得SbALS W545R纯合植株。进一步分析转基因阴性的T1杂合植株后代，仍然只观察到杂合型与野生型约2:1分离，而未出现纯合SbALS W545R植株。

这一结果提示，SbALS W545R可以稳定遗传，但W545R替换在纯合状态下可能影响ALS必需功能，因此更适合以杂合状态应用。

在进行除草剂抗性评价前，作者首先确定P184野生型对咪唑乙烟酸的致死浓度。当4–5叶期P184植株喷施不同浓度咪唑乙烟酸时，50 mg/L即可导致野生型完全死亡，因此研究将50 mg/L定义为1×处理浓度。

随后，作者用200 mg/L（4×）和400 mg/L（8×）咪唑乙烟酸处理野生型与转基因阴性的SbALS W545R/SbALS植株。处理8天后，野生型叶片已明显失绿；到第24天，所有野生型植株死亡。相比之下，SbALS W545R/SbALS植株在200 mg/L下仅表现出轻微生长抑制，在400 mg/L下也只是出现较弱的生长受限（图1F）。

这一结果说明，SbALS W545R/SbALS杂合突变能够显著提高高粱对咪唑乙烟酸的耐受性。

温室实验之外，研究进一步在田间条件下验证抗性表现。播种一个月后，作者对野生型和SbALS W545R/SbALS植株喷施200 mg/L咪唑乙烟酸。处理16天后，野生型植株全部死亡，而喷施除草剂的SbALS W545R/SbALS植株仍保持良好长势，其生长状态与未喷施除草剂的野生型相近（图1G）。

这一田间结果说明，该编辑材料的除草剂抗性并非只在温室条件下成立，而是在实际栽培环境中同样能够发挥作用。

除草剂抗性材料最终是否有利用价值，还需要看抗性是否伴随明显生长代价。作者在成熟期比较了未处理野生型、未处理SbALS W545R/SbALS以及除草剂处理后的SbALS W545R/SbALS植株。结果显示，株高、分蘖数、茎粗、穗长、单穗重和千粒重等指标之间均无显著差异（图1H）。

图1H

与表型结果一致，突变型ALS蛋白在五类ALS抑制剂存在时仍保留更高酶活。这说明W545R替换能够提高对ALS抑制剂的耐受能力，同时在杂合状态下未对主要农艺性状造成明显负面影响。

总之，该研究利用CRISPR/Cas9介导的腺嘌呤碱基编辑，在高粱SbALS基因中精准引入W545R替换，并获得可稳定遗传的SbALS W545R/SbALS杂合材料。该材料在温室和田间条件下均表现出对咪唑乙烟酸的显著抗性，同时主要农艺性状未出现显著变化，证明ABE可用于高粱除草剂抗性性状的定向创制。