雜交水稻的成功種植讓國人擺脫飢餓困境，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研發也非常成功。但是同為世界三大糧食作物之一的小麥，受其六倍體複雜性所限，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，先正達生物科技（中國）有限公司（以下簡稱先正達集團）資深研究員呂建課題組在《自然—生物技術》上在線發表研究論文，他們開發出了作物上首個具商業化潛力的父本單倍體誘導技術。
雜交小麥育種因此有望駛上快車道。
急需新技術解決小麥缺口
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複合增長率為2.2%，2022年全球小麥消費量預計將超過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口。
「保障小麥高產和穩產，是保證中國糧食安全的一個戰略需求。」論文共同通訊作者呂建在接受《中國科學報》採訪時指出，基於現有播種模式，中國小麥單位面積產量可以達到800~1200斤每畝。對比玉米、水稻等作物，還有很大的增產潛力可以挖掘。
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後代種子。「雜交種充分利用了雜種優勢效應，可以提高生長勢，增強病蟲害抗性和提高產量。」呂建介紹。
雜種優勢是指雜種第一代在體形、生長率繁殖力及行為特徵方面均比親本優越的現象。然而，一直以來，小麥雜種優勢效應研究進展比較緩慢，這就限制了通過雜種優勢來實現小麥增產穩產。
針對這一挑戰，先正達集團開始探索新的雜交育種技術。
一步轉育實現7%的誘導率
與水稻、玉米不同，小麥由於物種本身的複雜性，導致其雜交進展相對比較緩慢。
「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，所以小麥的種質創新相對比較費勁，育種周期很長，難度也很高。」中國水稻研究所水稻生物學國家重點實驗室副主任王克劍告訴《中國科學報》。
多年來，科研人員一直致力於雜交小麥研究工作，積極布局三系小麥雜交育種技術。三系指的是細胞質雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢復系。近來，先正達集團科研人員取得了重大突破和進展。
在使用小麥三系雜交技術時，需要將不是不育系的材料轉換成細胞質雄性不育背景。其本質就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。
「這在動物身上很容易實現，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。」呂建解釋道，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。
所以，傳統方法是將胞質可育品種（BB材料）同現有胞質不育系（AA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材料在基因組上並不是百分之百等同。
「我們開發了一步胞質不育轉育技術。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。」呂建說。
胞質不育一步轉育技術在概念上很簡單，但實施起來很難。首先，可用於父本單倍體誘導的基因很少，只有玉米上的ig1和擬南芥上的CenH3基因。ig1突變只能產生1%的單倍體誘導率，並且在大部分玉米材料裡會導致雄性不育。
呂建領導的團隊將小麥ig1進行基因敲除，發現並不能誘導父本單倍體。這預示基於ig1的方法不太適用於更多作物。
而擬南芥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。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。然而他們都沒有獲得成功，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。
呂建通過分析之前的實驗設計推測，保持原有CenH3基因表達模式對於開發單倍體誘導技術很關鍵。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。
「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。」先正達集團總裁張蓓在接受《中國科學報》採訪時說。
創新育種技術的「基石」
另外一個挑戰是在小麥上操作CenH3基因。CenH3基因編碼著絲粒特異組蛋白，是減數分裂和有絲分裂所必需的。突變CenH3往往會導致作物不育和發育阻滯。而小麥是異源多倍體，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。
「根據多年的研究經驗，同樣的方法和設計模式不能完全『套』到不同作物上。我們需要自己摸索。」呂建說。
先正達集團科研人員通過基因組特異表達分析，將目標縮小到了CenH3-A和CenH3-B。同時，他們優化小麥編輯體系產生了大量的編輯材料，通過大量測序工作和雜交工作，最終開發了父本單倍體誘導系統。
此外，研究團隊發現，回碼突變在雜合狀態下能更高效地誘導單倍體，這一新發現區別於之前擬南芥的報導。
「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。而他們這項成果最大的亮點是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。」王克劍說。
在張蓓看來，這一突破不僅拓展了單倍體誘導技術，加速雜交小麥種質資源創製，實現「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新育種技術的「基石」，具有非常廣闊的商業前景。
先正達集團正積極準備在歐洲推廣雜交小麥，目前用的還是常規育種技術。張蓓表示，根據不同地區和國家的監管政策，先正達集團希望能儘快把這項技術推廣應用。
「根據預測，雜交小麥技術可以幫助小麥增產5%~10%，這已經是很了不得的進步。通過一步胞質不育轉育技術，可以加速小麥雜種優勢的基礎研究和雜交小麥的推廣。如果能做到雜交水稻那種規模，這將是劃時代的。」呂建對雜交小麥的未來充滿期盼。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41587-020-0728-4
版權聲明：凡本網註明「來源：中國科學報、科學網、科學新聞雜誌」的所有作品，網站轉載，請在正文上方註明來源和作者，且不得對內容作實質性改動；微信公眾號、頭條號等新媒體平臺，轉載請聯繫授權。郵箱：shouquan@stimes.cn。