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杂交小麦育种时间缩短 杂交小麦育种产业化再下一城
2021-01-13 09:38:51 来源:科技日报 编辑:news2020

种植杂交小麦被认为是今后大幅提升全球小麦产量的首选途径之一。据预测,如果杂交小麦推广应用达到杂交水稻同等水平,我国每年可新增小麦产量约1200万吨(按照中国小麦年总产量1.2亿吨,10%增产来估算),将对保障国家粮食安全具有重大意义。但是,同为世界三大粮食作物之一的小麦,受基因组复杂性(异源六倍体)所限,其杂交育种长期停滞不前。同时,制种成本过高也大大制约着杂交小麦的产业化推广。

先正达集团北京创新中心资深研究员吕建团队1月11日告诉科技日报记者,他们与先正达种业科学家蒂姆·凯勒赫尔(Tim Kelliher)团队合作,不久前在《自然·生物技术》发表了一项研究成果:团队开发出首个可商业化使用的父本单倍体诱导技术,这一技术可以大大减少三系小麦(细胞质雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢复系)杂交制种成本。

拟南芥的父本单倍体诱导在小麦上复制

三系小麦杂交制种技术被广泛应用于杂交小麦生产。在使用三系小麦杂交制种技术时,需要将不是不育系的材料转换成细胞质雄性不育背景,其本质是以新材料的细胞核替换原有雄性不育系材料的细胞核,同时保有原有不育系材料的雄性不育细胞质。但这一项操作让三系小麦杂交制种成本居高不下。

“这在动物细胞上很容易实现,可以通过显微操作将原来细胞的细胞核移出,或是通过化学处理将原有细胞核破环,然后将新细胞核移植到原有细胞质中。”吕建解释,但是,这一方法不能在作物上实现,是因为显微操作需要破坏植物细胞的细胞壁,而去除掉细胞壁的植物细胞很难再生成完整的植株。

传统方法是将胞质可育品种(B材料)同现有胞质不育系(A材料)进行杂交再进行5—7代的回交,以保证最终的材料细胞核中绝大部分是来自B材料的基因组。显而易见,这种方法既耗时又浪费资源。

而且,通过上述传统方法得到的最终材料,同原有B材料在基因组上并不是百分之百等同。

为此吕建团队开发了一步胞质不育系转育技术。这是基于父本单倍体技术,将不育系开发成父本单倍体诱导系,将待转育的材料诱导父本单倍体,再利用单倍体加倍技术实现胞质不育的一步转育。

然而,可用于父本单倍体诱导的基因很少,拟南芥的CENH3基因被公认为是父本单倍体诱导技术突破的关键基因。但是,众多科学家花费了巨大的努力尝试在其他作物上重复拟南芥CENH3基因父本单倍体诱导技术的成功,都以失败告终,以至于科学界一度怀疑CENH3基因的父本单倍体诱导是不是只能在拟南芥上实现。

吕建坚定地认为,CENH3的父本单倍体诱导可以在杂交小麦上实现。他和论文共同通讯作者凯勒赫尔一起,创新性地设计了一对gRNA,只在CENH3基因氮端引入回码突变,不改变羧基段和启动子区域,最终实现了7%的父本单倍体诱导率。

将杂交小麦育种时间由3年缩短到一年

利用该技术可以将杂交小麦制种原来所用的3年时间(7代)缩短到不到一年时间(2代)。因此这项技术也被称为杂交小麦制种“一步到位”技术。

“选配小麦不育系材料非常耗时费力,传统方法需要多年多代的杂交选育,工作量巨大,育

种成本很高。这项育种技术加速了种质改良,并降低了种子生产成本,可以快速实现不育系的创制,大大加速杂交小麦品种选育的进程,更快捷更省事,可促进杂交小麦在更大范围的利用和推广。”吕建说。

令人惊喜的是,研究人员实现了7%的父本单倍体诱导率,这也是世界范围内首次在真正作物上实现如此大比率的父本单倍体诱导。而此前,另外一个可用于父本单倍体诱导的基因是玉米上的ig1,但只能在玉米上产生1%的单倍体诱导率;同样的基因在小麦上更被证实不能诱导单倍体。

“7%的诱导率可以说是非常好的开端,是首次在小麦上成功实现,这个效率在商业上具有可操作性。”先正达北京创新中心总裁张蓓说,通过一步胞质不育系转育技术,可以加速小麦杂种优势的基础研究和杂交小麦的推广。

这项技术也为基于CENH3的单倍体基因编辑耦合技术(HI-EDIT)在多种作物中的应用铺平了道路。同样的方法和设计模式或许可以推广到其他没有单倍体诱导系统的作物上。“我们正在大豆、番茄上进行摸索。”吕建透露。

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