高粱（Sorghum bicolor (L.）Moench）是全球重要的粮食、饲草和能源作物，具有耐旱、耐瘠薄、适应性强等特点。然而，高粱苗期生长较慢，易受田间杂草竞争，导致养分、水分和光照资源被大量消耗，严重影响产量。由于目前高粱可安全使用的除草剂种类有限，杂草防控已成为限制高粱规模化和轻简化生产的重要瓶颈。乙酰乳酸合酶（Acetolactate synthase，ALS）是支链氨基酸生物合成途径中的关键酶，也是多类商业化除草剂的重要靶标，ALS蛋白中特定保守位点突变可降低除草剂与靶标蛋白的结合能力，从而赋予作物除草剂抗性。相比传统自然突变筛选和化学诱变，碱基编辑技术能够精准改写单碱基，是创制除草剂抗性材料的理想工具。
近日，JIPB在线发表了中国农业科学院作物科学研究所顿宝庆团队题为“Engineering herbicide-resistant sorghum with CRISPR/Cas9-mediated adenine base editing”的研究论文（https://doi.org/10.1111/jipb.70298）。该研究利用腺嘌呤碱基编辑技术对高粱内源SbALS基因的W545残基进行精准替换，成功创制了抗除草剂高粱种质资源。
已有研究表明，在拟南芥、水稻、玉米、小麦等多种植物中，突变ALS蛋白中高度保守的574位色氨酸（Trp-574，W574），可赋予植物对五类ALS抑制剂类除草剂的广谱抗性（图1A）。为培育抗除草剂高粱新材料，研究以高粱SbALS基因中对应的W545位点为靶标，设计基于CRISPR-Cas9的ABE编辑器，对该位点的单碱基编辑可以实现色氨酸到精氨酸（W545R）的精准替换（图1B，C）。
通过稳定遗传转化，研究从12株阳性转基因株系中成功鉴定到4株W545R的杂合突变体，目标位点的碱基编辑效率为33.3%（图1D，E），通过自交分离进一步获得不含转基因元件的杂合突变系。随后，分别在实验室和大田条件下对突变植株的除草剂抗性进行了评价。结果显示，在200mg/L咪唑乙烟酸处理条件下，突变植株生长几乎未受到抑制，而野生型植株全部死亡（图1F，G）。农艺性状调查表明，突变植株在株高、茎粗、分蘖数、穗长、穗重和千粒重等主要农艺性状方面，与未处理的野生型植株相比均无显著差异（图1H）。
图1 利用CRISPR/Cas9介导的腺嘌呤碱基编辑系统培育抗除草剂的高粱种质
综上，该研究通过探究腺嘌呤碱基编辑技术在高粱中的应用潜力，实现了高粱内源SbALS基因精准突变，成功获得具有咪唑乙烟酸抗性的高粱新种质，为抗除草剂高粱分子育种提供了重要材料基础和技术支撑。
中国农业科学院作物科学研究所博士研究生周建双，河南大学硕士研究生李瑞瑞为该论文共同第一作者，中国农业科学院作物科学研究所朱金洁副研究员、钱前院士、顿宝庆研究员为论文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金（32241041）、中国农业科学院创新工程项目（01-ICS-22）以及中原研究中心科研团队（CAAS-ZRC-ZYZX20230203）的资助。
文章引用：
Zhou, J., Li, R., Wang, Z., Liu, S., Shi, L., Fu, X., Li, F., Zhang, J., Li, G., Zhu, J., et al. (2026). Engineering herbicide-resistant sorghum with CRISPR/Cas9-mediated adenine base editing. J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.70298
责任编辑：白伟伦 张岩
