雜交小麥育種技術(shù)“一步到位”

馬愛平

種植雜交小麥被認(rèn)為是今后大幅提升全球小麥產(chǎn)量的首選途徑之一。據(jù)預(yù)測(cè)，如果雜交小麥推廣應(yīng)用達(dá)到雜交水稻同等水平，我國(guó)每年可新增小麥產(chǎn)量約1200萬噸（按照中國(guó)小麥年總產(chǎn)量1.2億噸，10%增產(chǎn)來估算），將對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有重大意義。但是，同為世界三大糧食作物之一的小麥，受基因組復(fù)雜性（異源六倍體）所限，其雜交育種長(zhǎng)期停滯不前。同時(shí)，制種成本過高也大大制約著雜交小麥的產(chǎn)業(yè)化推廣。

先正達(dá)集團(tuán)北京創(chuàng)新中心資深研究員呂建團(tuán)隊(duì)1月11日告訴筆者，他們與先正達(dá)種業(yè)科學(xué)家蒂姆·凱勒赫爾（Tim Kelliher）團(tuán)隊(duì)合作，不久前在《自然·生物技術(shù)》發(fā)表了一項(xiàng)研究成果：團(tuán)隊(duì)開發(fā)出首個(gè)可商業(yè)化使用的父本單倍體誘導(dǎo)技術(shù)，這一技術(shù)可以大大減少三系小麥（細(xì)胞質(zhì)雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢復(fù)系）雜交制種成本。

擬南芥的父本單倍體

誘導(dǎo)在小麥上復(fù)制

三系小麥雜交制種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于雜交小麥生產(chǎn)。在使用三系小麥雜交制種技術(shù)時(shí)，需要將不是不育系的材料轉(zhuǎn)換成細(xì)胞質(zhì)雄性不育背景，其本質(zhì)是以新材料的細(xì)胞核替換原有雄性不育系材料的細(xì)胞核，同時(shí)保有原有不育系材料的雄性不育細(xì)胞質(zhì)。但這一項(xiàng)操作讓三系小麥雜交制種成本居高不下。

“這在動(dòng)物細(xì)胞上很容易實(shí)現(xiàn)，可以通過顯微操作將原來細(xì)胞的細(xì)胞核移出，或是通過化學(xué)處理將原有細(xì)胞核破環(huán)，然后將新細(xì)胞核移植到原有細(xì)胞質(zhì)中。”呂建解釋，但是，這一方法不能在作物上實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)轱@微操作需要破壞植物細(xì)胞的細(xì)胞壁，而去除掉細(xì)胞壁的植物細(xì)胞很難再生成完整的植株。

傳統(tǒng)方法是將胞質(zhì)可育品種（B材料）同現(xiàn)有胞質(zhì)不育系（A材料）進(jìn)行雜交再進(jìn)行5～7代的回交，以保證最終的材料細(xì)胞核中絕大部分是來自B材料的基因組。顯而易見，這種方法既耗時(shí)又浪費(fèi)資源。

而且，通過上述傳統(tǒng)方法得到的最終材料，同原有B材料在基因組上并不是百分之百等同。

為此呂建團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一步胞質(zhì)不育系轉(zhuǎn)育技術(shù)。這是基于父本單倍體技術(shù)，將不育系開發(fā)成父本單倍體誘導(dǎo)系，將待轉(zhuǎn)育的材料誘導(dǎo)父本單倍體，再利用單倍體加倍技術(shù)實(shí)現(xiàn)胞質(zhì)不育的一步轉(zhuǎn)育。

然而，可用于父本單倍體誘導(dǎo)的基因很少，擬南芥的CENH3基因被公認(rèn)為是父本單倍體誘導(dǎo)技術(shù)突破的關(guān)鍵基因。但是，眾多科學(xué)家花費(fèi)了巨大的努力嘗試在其他作物上重復(fù)擬南芥CENH3基因父本單倍體誘導(dǎo)技術(shù)的成功，都以失敗告終，以至于科學(xué)界一度懷疑CENH3基因的父本單倍體誘導(dǎo)是不是只能在擬南芥上實(shí)現(xiàn)。

呂建堅(jiān)定地認(rèn)為，CENH3的父本單倍體誘導(dǎo)可以在雜交小麥上實(shí)現(xiàn)。他和論文共同通訊作者凱勒赫爾一起，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一對(duì)gRNA，只在CENH3基因氮端引入回碼突變，不改變羧基段和啟動(dòng)子區(qū)域，最終實(shí)現(xiàn)了7%的父本單倍體誘導(dǎo)率。

將雜交小麥育種時(shí)間

由3年縮短到一年

利用該技術(shù)可以將雜交小麥制種原來所用的3年時(shí)間（7代）縮短到不到一年時(shí)間（2代）。因此這項(xiàng)技術(shù)也被稱為雜交小麥制種“一步到位”技術(shù)。

“選配小麥不育系材料非常耗時(shí)費(fèi)力，傳統(tǒng)方法需要多年多代的雜交選育，工作量巨大，育種成本很高。這項(xiàng)育種技術(shù)加速了種質(zhì)改良，并降低了種子生產(chǎn)成本，可以快速實(shí)現(xiàn)不育系的創(chuàng)制，大大加速雜交小麥品種選育的進(jìn)程，更快捷更省事，可促進(jìn)雜交小麥在更大范圍的利用和推廣?！眳谓ㄕf。

令人驚喜的是，研究人員實(shí)現(xiàn)了7%的父本單倍體誘導(dǎo)率，這也是世界范圍內(nèi)首次在真正作物上實(shí)現(xiàn)如此大比率的父本單倍體誘導(dǎo)。而此前，另外一個(gè)可用于父本單倍體誘導(dǎo)的基因是玉米上的ig1，但只能在玉米上產(chǎn)生1%的單倍體誘導(dǎo)率;同樣的基因在小麥上更被證實(shí)不能誘導(dǎo)單倍體。

“7%的誘導(dǎo)率可以說是非常好的開端，是首次在小麥上成功實(shí)現(xiàn)，這個(gè)效率在商業(yè)上具有可操作性。”先正達(dá)北京創(chuàng)新中心總裁張蓓說，通過一步胞質(zhì)不育系轉(zhuǎn)育技術(shù)，可以加速小麥雜種優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)研究和雜交小麥的推廣。

這項(xiàng)技術(shù)也為基于CENH3的單倍體基因編輯耦合技術(shù)（HI-EDIT）在多種作物中的應(yīng)用鋪平了道路。同樣的方法和設(shè)計(jì)模式或許可以推廣到其他沒有單倍體誘導(dǎo)系統(tǒng)的作物上?！拔覀冋诖蠖?、番茄上進(jìn)行摸索?！眳谓ㄍ嘎?。