一步實現作物雜交制種,基因編輯技術將引領農業變革?

2020-11-28 手機鳳凰網

撰文 | 顧卓雅

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人類對作物的馴化已持續了上萬年。農作物每一個優秀的特性從發現到形成穩定的種子都需要數年甚至數十年。近年來，基因編輯技術讓這個過程大為簡化，使得人們得以精確快速地編輯作物基因組，實現選育增產。

2020年7月8日，中國農業科學院謝傳曉研究員發表論文，利用 CRISPR/Cas9 技術一步創製雄性不育系和保持系，為作物雜交技術提供了高效的培育方案。

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農作物雜交的優勢

在作物生產中，雜交種比純種更受歡迎。雜交種通常在生長速率、產量、抗逆性等方面明顯優於雙親，這種現象稱為雜種優勢。

目前，我國水稻的雜交種率約為50%，而玉米的雜交種率幾乎可達100%，足見雜交種在農業生產中的重要性。但根據孟德爾定律，雜交種的自交後代會出現性狀分離，失去雜交種的優勢。因此，為了獲得穩定的雜交種，核心問題是要避免自交。

子一代F1可能具有雜種優勢，但根據孟德爾遺傳定律，在子二代F2會再次出現親本的性狀。圖片：googleusercontent.com

通常採用的解決辦法是利用雄性不育株構建雜交系。由於雄性不育株的花粉發育不良，只能作為母本接受配套父本的花粉與之雜交，從而能確保產生的子代是具有優勢的雜交種。同時，子代還需要產生新的母本和父本。只有建立了這樣的雜交系統，才能實現高效的田間種子生產線。

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新技術助力雜交技術的革新

儘管過去幾十年中，雜交技術已讓全世界作物產量顯著提高，但這些方法對植物的基因型有非常特殊的要求，因而建立穩定的不育和可育品種和後續的生產維護都過程繁瑣，且費時費力。

為了解決雜交技術中的難點，謝傳曉團隊在這項研究中，利用CRISPR/Cas9的新系統簡化了雜交育種的流程，僅需一步就可以創製不育系和保持系，並同時解決了不育基因導入和不育株篩選的問題。

研究者首先構建了兩個載體：一個用來構建創製雄性不育系，用來創製保持系。MS26ΔE5-Editor 載體具有基因編輯活性，用於創製雄性不育系。通過剪掉玉米中育性基因MS26的一小段，使MS26基因失去功能，讓玉米雄性不育。而MGM載體則用於創製保持系，包括三個基因，一個用來恢復MS26的功能，另一個是能導致花粉失去活性的酶，還有一個會讓玉米粒發出紅色螢光。最終，經過處理的玉米胚胎將攜帶兩個被剪切的MS26和一個MGM拷貝。

在雜交體系中，使用不育系作為母本，就可以與其他父本優勢種雜交獲得雜交種。而使用保持系自交時，由於MGM上攜帶的花粉澱粉酶基因會造成花粉敗育，因此只有不攜帶MGM的花粉可以作為雄配子，雌配子則一半攜帶MGM，一半不攜帶MGM，最終產生一半不育系和一半保持系。由於MGM上的螢光基因，保持系的玉米籽粒會發出螢光。實驗證明，不管是人工和機器方法都可以有效的區分不育系和保持系籽粒的螢光，以便篩選。

在這個系統中，不育系植株不攜帶外源性的MGM基因，因此只要是與非轉基因品種雜交產生的後代，就不是轉基因作物。

除了玉米，MS26基因在許多作物中功能保守，例如水稻、穀子、小麥和高粱，因此該方法可以很容易的應用在其他作物中，為雜交技術提供基礎。

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基因編輯作物是未來的方向嗎？

自人類馴化植物以來，人們選擇種植最優秀的種子，以便獲得最高的產量。現在，這一過程可以被基因編輯大大加快。與轉基因食品不同，基因編輯是編輯了物種本身的基因，而不轉入其他物種的基因。

經過基因編輯的作物，與人工選育或自然突變形成的效果十分相似，難以區分。隨著基因編輯技術的發展，許多原本依靠轉基因技術的育種可以由基因編輯技術來實現。

目前，各國對基因編輯的態度和監管各有區別。美國對基因編輯作物的監管鬆散，基本不受限制。歐洲則將基因編輯技術與轉基因歸為一類，受到相似的監管。而中國對基因編輯作物的監管仍不明確，尚未進行生產應用，但相關科研成果早已位於世界前列。

或許在不久的將來，基因編輯不僅可以通過改變育性來推進雜交技術的發展，更可以直接編輯高產，營養或減毒基因，改良作物，讓我們的食品更加營養和豐富。

農作物的三代育種簡介

雄性不育從原理上可以分為核質互作不育（簡稱胞質不育，CMS）和核不育（GMS），由此衍生出不同的雜交培育方法。

上世紀70年代發展的第一代雜交技術，是基於CMS的 「三系法」。儘管得到了大規模應用，但 「三系法」 需要利用 「雄性不育系」、「保持系」 和 「恢復系」三系配套來完成，受到恢保關係的限制，不但技術上複雜、效率較低，而且難以獲得最優勢的性狀，還可能受到專化病害的影響。

上世紀90年代，第二代雜交技術基於光、溫敏雄性不育發展了 「二系法」，是目前水稻種植主要應用的方法。「二系法」 比 「三系法」 系統簡單，但由於雄性不育需要特定的光溫條件，因此容易受環境條件影響，有時無法保證效果。

第三代雜交技術旨在利用GMS來構建更簡單、穩定的雜交系。但由於需要將不育基因導入所需要的遺傳背景中，耗時較長。從發現野生的核不育隱性基因到回交導入母本中，需要耗費數年。而且還存在不育株與可育株不好區分，難以機械化的困難。

「

參考文獻

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2. 袁隆平. 兩系法雜交水稻研究的進展.中國農業科學,1990(03):1-6.

3. Xiantao Qi, Congsheng Zhang, Jinjie Zhu, Changlin Liu, Changling Huang, Xinhai Li, and Chuanxiao Xie. Genome Editing Enables Next-Generation Hybrid Seed Production Technology, Molecular Plant, 2020,https://doi.org/10.1016/j.molp.2020.06.003

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