雜交小麥育種技術“一步到位”

馬愛平

種植雜交小麥被認為是今后大幅提升全球小麥產量的首選途徑之一。據預測，如果雜交小麥推廣應用達到雜交水稻同等水平，我國每年可新增小麥產量約1200萬噸（按照中國小麥年總產量1.2億噸，10%增產來估算），將對保障國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，受基因組復雜性（異源六倍體）所限，其雜交育種長期停滯不前。同時，制種成本過高也大大制約著雜交小麥的產業化推廣。

先正達集團北京創新中心資深研究員呂建團隊1月11日告訴筆者，他們與先正達種業科學家蒂姆·凱勒赫爾（Tim Kelliher）團隊合作，不久前在《自然·生物技術》發表了一項研究成果：團隊開發出首個可商業化使用的父本單倍體誘導技術，這一技術可以大大減少三系小麥（細胞質雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢復系）雜交制種成本。

擬南芥的父本單倍體

誘導在小麥上復制

三系小麥雜交制種技術被廣泛應用于雜交小麥生產。在使用三系小麥雜交制種技術時，需要將不是不育系的材料轉換成細胞質雄性不育背景，其本質是以新材料的細胞核替換原有雄性不育系材料的細胞核，同時保有原有不育系材料的雄性不育細胞質。但這一項操作讓三系小麥雜交制種成本居高不下。

“這在動物細胞上很容易實現，可以通過顯微操作將原來細胞的細胞核移出，或是通過化學處理將原有細胞核破環，然后將新細胞核移植到原有細胞質中。”呂建解釋，但是，這一方法不能在作物上實現，是因為顯微操作需要破壞植物細胞的細胞壁，而去除掉細胞壁的植物細胞很難再生成完整的植株。

傳統方法是將胞質可育品種（B材料）同現有胞質不育系（A材料）進行雜交再進行5～7代的回交，以保證最終的材料細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。

為此呂建團隊開發了一步胞質不育系轉育技術。這是基于父本單倍體技術，將不育系開發成父本單倍體誘導系，將待轉育的材料誘導父本單倍體，再利用單倍體加倍技術實現胞質不育的一步轉育。

然而，可用于父本單倍體誘導的基因很少，擬南芥的CENH3基因被公認為是父本單倍體誘導技術突破的關鍵基因。但是，眾多科學家花費了巨大的努力嘗試在其他作物上重復擬南芥CENH3基因父本單倍體誘導技術的成功，都以失敗告終，以至于科學界一度懷疑CENH3基因的父本單倍體誘導是不是只能在擬南芥上實現。

呂建堅定地認為，CENH3的父本單倍體誘導可以在雜交小麥上實現。他和論文共同通訊作者凱勒赫爾一起，創新性地設計了一對gRNA，只在CENH3基因氮端引入回碼突變，不改變羧基段和啟動子區域，最終實現了7%的父本單倍體誘導率。

將雜交小麥育種時間

由3年縮短到一年

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

“選配小麥不育系材料非常耗時費力，傳統方法需要多年多代的雜交選育，工作量巨大，育種成本很高。這項育種技術加速了種質改良，并降低了種子生產成本，可以快速實現不育系的創制，大大加速雜交小麥品種選育的進程，更快捷更省事，可促進雜交小麥在更大范圍的利用和推廣。”呂建說。

令人驚喜的是，研究人員實現了7%的父本單倍體誘導率，這也是世界范圍內首次在真正作物上實現如此大比率的父本單倍體誘導。而此前，另外一個可用于父本單倍體誘導的基因是玉米上的ig1，但只能在玉米上產生1%的單倍體誘導率;同樣的基因在小麥上更被證實不能誘導單倍體。

“7%的誘導率可以說是非常好的開端，是首次在小麥上成功實現，這個效率在商業上具有可操作性。”先正達北京創新中心總裁張蓓說，通過一步胞質不育系轉育技術，可以加速小麥雜種優勢的基礎研究和雜交小麥的推廣。

這項技術也為基于CENH3的單倍體基因編輯耦合技術（HI-EDIT）在多種作物中的應用鋪平了道路。同樣的方法和設計模式或許可以推廣到其他沒有單倍體誘導系統的作物上。“我們正在大豆、番茄上進行摸索。”呂建透露。