科技日報記者 馬愛平
雜交小麥被認為是今後全球小麥產量大幅提升的首選途徑之一。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，受基因組複雜性（異源六倍體）所限，卻在雜交育種上停滯不前。同時，制種成本過高也大大制約著雜交小麥產業化推廣。
日前，先正達集團北京創新中心資深研究員呂建團隊與先正達種業科學家Tim Kelliher團隊合作，在《自然-生物技術》雜誌（Nature Biotechnology）發表了一篇研究成果，題為《Generation of paternal haploids in wheat by genome editing of the centromeric histone CENH3》（《基因編輯CENH3基因開發小麥父本單倍體誘導技術》），開發出了作物上首個可商業化使用的父本單倍體誘導技術，可以大大減少三系小麥雜交制種成本。
三系小麥雜交制種技術（細胞質雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢復系）被廣泛應用於雜交小麥生產。在使用小麥三系雜交制種技術時，需要將不是不育系的材料轉換成細胞質雄性不育背景，這也是主要的成本之一，其本質是以新材料的細胞核替換原有細胞質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。
「這在動物細胞上很容易實現，可以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，然後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。
再者，可用於父本單倍體誘導的基因很少，而擬南芥CENH3基因則被公認為是父本單倍體誘導技術突破的關鍵基因。擬南芥CENH3基因自2010年被報導以來，是目前最有效的一個父本單倍體誘導基因。但是，令人失望的是，眾多科學家花費了巨大的努力嘗試在其它作物上重複擬南芥上的成功，但是，都沒有獲得成功，以至於科學界一度懷疑CENH3的父本單倍體誘導是不是只能在擬南芥上實現。
呂建堅定的認為，CENH3的父本單倍體誘導可以在雜交小麥上實現。最終，他們證明了，CENH3的父本單倍體誘導可以在小麥上實現。
這是怎麼實現的？
他和論文共同通訊作者Tim Kelliher一起，創新性地設計了一對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域，最終實現了7%的父本單倍體誘導率。由此，呂建團隊開發了一步胞質不育系轉育技術。這是基於父本單倍體技術，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；可以將原來需要的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。
呂建在實驗室工作 馬愛平 攝
「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，並降低了種子生產中的商品成本，可以快速實現不育系的創製，大大加速雜交小麥品種選育的進程，更快捷更省事，促進雜交小麥在更大範圍的利用和推廣。」呂建說。
更令人驚喜的是，研究人員實現了7%的父本單倍體誘導率，這也是世界範圍內在真正作物上的首次報導。而此前，另外一個可用於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。
這項技術也為基於CENH3的HI-EDIT（單倍體基因編輯耦合技術）技術在多種作物中的應用鋪平道路。同樣的方法和設計模式或許可以推廣到其它沒有單倍體誘導系統作物上。「我們正在大豆，番茄上進行摸索。」呂建透露。
令業界期盼的是，這一突破拓展了單倍體誘導技術，不僅加速雜交小麥種質資源創製，實現「一步到位」，也對其他雜交作物產業化提振了信心，可以成為其它作物創新育種技術的「基石」。