遺傳發(fā)育所報道“二合一”快速育種新策略

2月16日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所許操研究組在Plant Biotechnology Journal上，在線發(fā)表了題為A two-in-one breeding strategy boosts rapid utilization of wild species and elite cultivars的論文。該研究報道了“二合一”快速育種新策略，將全新的從頭馴化育種方法和經(jīng)典的雜交育種技術(shù)取長補短、優(yōu)勢互補，在番茄中實現(xiàn)了耐逆性狀的快速導(dǎo)入和多樣化種植模式的“一鍵”創(chuàng)制，為高效、快速利用優(yōu)異野生資源和栽培種質(zhì)，培育環(huán)境適應(yīng)型作物和種植模式多樣化作物提供了新思路。

全球氣候變化導(dǎo)致極端天氣頻發(fā)，威脅現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和國家糧食安全。經(jīng)過長期的人工選育，大部分作物實現(xiàn)了高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)性狀的聚合，但遺傳多樣性降低，復(fù)雜性狀育種遭遇遺傳瓶頸，難以適應(yīng)未來氣候變化和頻發(fā)的極端天氣。基因編輯技術(shù)的發(fā)展使快速、精準(zhǔn)育種成為可能，但快速創(chuàng)制由多個數(shù)量性狀位點決定的復(fù)雜農(nóng)藝性狀仍極具挑戰(zhàn)，如環(huán)境適應(yīng)與耐受性狀。尤其在基因“敲入”或“敲高”等方面缺乏高效的植物基因編輯工具，使許多復(fù)雜性狀很難通過基因編輯創(chuàng)制。野生植物經(jīng)歷了長期的自然選擇和環(huán)境適應(yīng)性演化，具有天然的環(huán)境適應(yīng)和耐逆性狀；而現(xiàn)代栽培種經(jīng)過長期人工選育，擁有優(yōu)異的產(chǎn)量和品質(zhì)性狀，兩者的“珠聯(lián)璧合”是未來作物的顯著特征。傳統(tǒng)育種可以通過雜交將野生種的耐逆性狀滲入到栽培種中，然而，由于野生種的生殖障礙、巨大的生長習(xí)性差異以及栽培種人工去雄的勞動力和時間成本等多重因素，這種基因滲入的進程耗時費力。

許操研究組將從頭馴化育種新方法和雜交育種經(jīng)典技術(shù)取長補短、優(yōu)勢互補，提出了“二合一”快速育種新策略。該策略通過基因編輯技術(shù)在番茄栽培種中快速創(chuàng)制雄性不育系，減少雜交所需的人工成本；對耐逆性狀優(yōu)異的野生種進行從頭馴化，減少性狀導(dǎo)入的時間成本，實現(xiàn)了野生種和栽培種優(yōu)異性狀整合的“雙減”和種質(zhì)資源的高效利用，加速了耐逆育種進程。

研究選擇經(jīng)典栽培番茄品種Ailsa Craig（AC）作為親本材料，利用CRISPR/Cas9敲除番茄小孢子時期特異表達的異胡豆苷合成酶編碼基因Sl-LAP3，創(chuàng)制了雄性不育材料，并證實除育性外該材料的生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)等農(nóng)藝性狀均不受影響。為了獲得優(yōu)異耐逆性狀，研究選擇了起源于秘魯海濱重度鹽堿地的野生醋栗番茄Solanum pimpinellifolium(S.pimp)作為供體，利用多靶點基因組編輯系統(tǒng)同時靶向?qū)嶒炇以缙阼b定的番茄開花和株型從頭馴化基因模塊——SELF-PRUNING 5G(SP5G)和SELF-PRUNING(SP)基因，快速創(chuàng)制了對光周期不敏感，且兼具果實同步成熟和緊湊株型的從頭馴化株系，克服了野生番茄生長習(xí)性的差異，并保持了其耐受重度鹽堿和高抗病的優(yōu)異性狀。將從頭馴化的S.pimp株系與AC雄性不育系雜交，F(xiàn)1代植株與親本相比呈現(xiàn)中間表型。在F2分離群體中獲得了兼具母本產(chǎn)量和品質(zhì)性狀、父本耐重度鹽堿和高抗病性狀的植株。同時，F(xiàn)2分離群體還可以分離獲得除了兼具上述性狀以外分別含有sp,sp5g,sp sp5g三種突變組合的株系，它們呈現(xiàn)不同株型，可分別適宜露地栽培、溫室栽培和植物工廠栽培等多種種植模式。該研究通過整合從頭馴化和雄性不育系快速創(chuàng)制，實現(xiàn)了優(yōu)異野生種和栽培種資源挖掘利用和種質(zhì)創(chuàng)新中的人力和時間成本的“雙減”，而馴化基因模塊的多樣化分離實現(xiàn)了種植方式的“多增”。

“二合一”育種策略為番茄耐逆種質(zhì)創(chuàng)新提供了新策略，并為雜種優(yōu)勢明顯的主要糧食和經(jīng)濟作物的快速育種提供了新思路。隨著鄉(xiāng)村振興、精準(zhǔn)扶貧的穩(wěn)步推進以及人民生活水平提高，具有地方特色的小宗作物育種愈加受到重視，“二合一”育種策略為小宗作物育種提供了新方法。

(來源：遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所)