種植雜交小麥被認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，如果雜交小麥推廣應(yīng)用達到雜交水稻同等水平，我國每年可新增小麥產(chǎn)量約1200萬噸(按照中國小麥年總產(chǎn)量1.2億噸，10%增產(chǎn)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(fù)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(chǎn)業(yè)化推廣。
先正達集團北京創(chuàng)新中心資深研究員呂建團隊1月11日告訴科技日報記者，他們與先正達種業(yè)科學(xué)家蒂姆·凱勒赫爾(Tim Kelliher)團隊合作，不久前在《自然·生物技術(shù)》發(fā)表了一項研究成果：團隊開發(fā)出首個可商業(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，需要將不是不育系的材料轉(zhuǎn)換成細胞質(zhì)雄性不育背景，其本質(zhì)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(zhì)。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(xiàn)，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(xué)處理將原有細胞核破環(huán)，然后將新細胞核移植到原有細胞質(zhì)中。”呂建解釋，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(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(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。
為此呂建團隊開發(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現(xiàn)。
呂建堅定地認為，CENH3的父本單倍體誘導(dǎo)可以在雜交小麥上實現(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(qū)域，最終實現(xiàn)了7%的父本單倍體誘導(dǎo)率。
將雜交小麥育種時間由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年時間(7代)縮短到不到一年時間(2代)。因此這項技術(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。這項育種技術(shù)加速了種質(zhì)改良，并降低了種子生產(chǎn)成本，可以快速實現(xiàn)不育系的創(chuàng)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(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現(xiàn)如此大比率的父本單倍體誘導(dǎo)。而此前，另外一個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現(xiàn)，這個效率在商業(yè)上具有可操作性。”先正達北京創(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)勢的基礎(chǔ)研究和雜交小麥的推廣。
這項技術(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。“我們正在大豆、番茄上進行摸索。”呂建透露。
