轉(zhuǎn)載自中國科學(xué)報，作者張晴丹
雜交水稻的成功種植讓國人擺脫饑餓困境，對解決世界糧食安全問題有著重要意義。玉米的雜交育種技術(shù)研發(fā)也非常成功。但是同為世界三大糧食作物之一的小麥，受其六倍體復(fù)雜性所限，卻在雜交育種上停滯不前。多年來，世界育種家們都在尋求突破，但這條路走得異常困難。
近日，先正達(dá)生物科技（中國）有限公司（以下簡稱先正達(dá)集團(tuán)）資深研究員呂建課題組在《自然—生物技術(shù)》上在線發(fā)表研究論文，他們開發(fā)出了作物上首個具商業(yè)化潛力的父本單倍體誘導(dǎo)技術(shù)。
雜交小麥育種因此有望駛上快車道。
急需新技術(shù)解決小麥缺口
近年來，全球小麥消費量逐年上升，2012年到2016年全球小麥消費量的年均復(fù)合增長率為2.2%，2022年全球小麥消費量預(yù)計將超過8億噸。
小麥在中國是兩大口糧作物之一。近年來，我國小麥供需基本保持平衡。2010~2019年間，中國小麥主要從美國、加拿大和澳大利亞進(jìn)口。
“保障小麥高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，是保證中國糧食安全的一個戰(zhàn)略需求?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡邊谓ㄔ诮邮堋吨袊茖W(xué)報》采訪時指出，基于現(xiàn)有播種模式，中國小麥單位面積產(chǎn)量可以達(dá)到800~1200斤每畝。對比玉米、水稻等作物，還有很大的增產(chǎn)潛力可以挖掘。
市場上的玉米種子和很大比例的水稻種子都是雜交種，即通過雜交兩個親本得到的后代種子?！半s交種充分利用了雜種優(yōu)勢效應(yīng)，可以提高生長勢，增強(qiáng)病蟲害抗性和提高產(chǎn)量?！眳谓ń榻B。
雜種優(yōu)勢是指雜種第一代在體形、生長率繁殖力及行為特征方面均比親本優(yōu)越的現(xiàn)象。然而，一直以來，小麥雜種優(yōu)勢效應(yīng)研究進(jìn)展比較緩慢，這就限制了通過雜種優(yōu)勢來實現(xiàn)小麥增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。
針對這一挑戰(zhàn)，先正達(dá)集團(tuán)開始探索新的雜交育種技術(shù)。
一步轉(zhuǎn)育實現(xiàn)7%的誘導(dǎo)率
與水稻、玉米不同，小麥由于物種本身的復(fù)雜性，導(dǎo)致其雜交進(jìn)展相對比較緩慢。
“水稻和玉米是二倍體，同樣的基因一般只有2個拷貝。而小麥則是六倍體，同樣的基因會有6個拷貝，所以小麥的種質(zhì)創(chuàng)新相對比較費勁，育種周期很長，難度也很高?！敝袊狙芯克旧飳W(xué)國家重點實驗室副主任王克劍告訴《中國科學(xué)報》。
多年來，科研人員一直致力于雜交小麥研究工作，積極布局三系小麥雜交育種技術(shù)。三系指的是細(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。近來，先正達(dá)集團(tuán)科研人員取得了重大突破和進(jìn)展。
在使用小麥三系雜交技術(shù)時，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)就是以新材料的細(xì)胞核替換原有細(xì)胞質(zhì)雄性不育系材料的細(xì)胞核，同時保有原有不育系材料的雄性不育細(xì)胞質(zhì)。
“這在動物身上很容易實現(xiàn)，可以顯微操作將原來細(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。”呂建解釋道，但是，這一方法不能在作物上實現(xiàn)，是因為顯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。
所以，傳統(tǒng)方法是將胞質(zhì)可育品種（BB材料）同現(xiàn)有胞質(zhì)不育系（AA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，這種方法既耗時又浪費資源。
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。
“我們開發(fā)了一步胞質(zhì)不育轉(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)實現(xiàn)胞質(zhì)不育的一步轉(zhuǎn)育。”呂建說。
胞質(zhì)不育一步轉(zhuǎn)育技術(shù)在概念上很簡單，但實施起來很難。首先，可用于父本單倍體誘導(dǎo)的基因很少，只有玉米上的ig1和擬南芥上的CenH3基因。ig1突變只能產(chǎn)生1%的單倍體誘導(dǎo)率，并且在大部分玉米材料里會導(dǎo)致雄性不育。
呂建領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊將小麥ig1進(jìn)行基因敲除，發(fā)現(xiàn)并不能誘導(dǎo)父本單倍體。這預(yù)示基于ig1的方法不太適用于更多作物。
而擬南芥CenH3基因自2010年被報道以來，是目前最有效的一個父本單倍體誘導(dǎo)基因。眾多科學(xué)家花費了巨大的努力嘗試在其它作物上重復(fù)擬南芥上的成功。然而他們都沒有獲得成功，以至于科學(xué)界一度懷疑CenH3的父本單倍體誘導(dǎo)是不是只能在擬南芥上實現(xiàn)。
呂建通過分析之前的實驗設(shè)計推測，保持原有CenH3基因表達(dá)模式對于開發(fā)單倍體誘導(dǎo)技術(shù)很關(guān)鍵。他和論文共同通訊作者Tim Kelliher一起，創(chuàng)新性地設(shè)計了一對gRNA，只在CenH3蛋白氮端引入回碼突變，不改變羧基段和啟動子區(qū)域，最終實現(xiàn)了7%的父本單倍體誘導(dǎo)率。
“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現(xiàn)，這個效率在商業(yè)上具有可操作性?！毕日_(dá)集團(tuán)總裁張蓓在接受《中國科學(xué)報》采訪時說。
創(chuàng)新育種技術(shù)的“基石”
另外一個挑戰(zhàn)是在小麥上操作CenH3基因。CenH3基因編碼著絲粒特異組蛋白，是減數(shù)分裂和有絲分裂所必需的。突變CenH3往往會導(dǎo)致作物不育和發(fā)育阻滯。而小麥?zhǔn)钱愒炊啾扼w，有A、B和D三套基因組，同時小麥中有兩個CenH3基因，即α和β，這又增加了操作難度。
“根據(jù)多年的研究經(jīng)驗，同樣的方法和設(shè)計模式不能完全‘套’到不同作物上。我們需要自己摸索?！眳谓ㄕf。
先正達(dá)集團(tuán)科研人員通過基因組特異表達(dá)分析，將目標(biāo)縮小到了CenH3-A和CenH3-B。同時，他們優(yōu)化小麥編輯體系產(chǎn)生了大量的編輯材料，通過大量測序工作和雜交工作，最終開發(fā)了父本單倍體誘導(dǎo)系統(tǒng)。
此外，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，回碼突變在雜合狀態(tài)下能更高效地誘導(dǎo)單倍體，這一新發(fā)現(xiàn)區(qū)別于之前擬南芥的報道。
“選配小麥不育系材料非常耗時費力，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。而他們這項成果最大的亮點是可以快速實現(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，促進(jìn)雜交小麥在更大范圍的利用和推廣。”王克劍說。
在張蓓看來，這一突破不僅拓展了單倍體誘導(dǎo)技術(shù)，加速雜交小麥種質(zhì)資源創(chuàng)制，實現(xiàn)“一步到位”，同時對整個雜交作物研究也有所助益，可以成為其他作物創(chuàng)新育種技術(shù)的“基石”，具有非常廣闊的商業(yè)前景。
先正達(dá)集團(tuán)正積極準(zhǔn)備在歐洲推廣雜交小麥，目前用的還是常規(guī)育種技術(shù)。張蓓表示，根據(jù)不同地區(qū)和國家的監(jiān)管政策，先正達(dá)集團(tuán)希望能盡快把這項技術(shù)推廣應(yīng)用。
“根據(jù)預(yù)測，雜交小麥技術(shù)可以幫助小麥增產(chǎn)5%~10%，這已經(jīng)是很了不得的進(jìn)步。通過一步胞質(zhì)不育轉(zhuǎn)育技術(shù)，可以加速小麥雜種優(yōu)勢的基礎(chǔ)研究和雜交小麥的推廣。如果能做到雜交水稻那種規(guī)模，這將是劃時代的?！眳谓▽﹄s交小麥的未來充滿期盼。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41587-020-0728-4
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