Nature Biotech | 杂交小麦“一步到位”
转载自中国科学报，作者张晴丹
杂交水稻的成功种植让国人摆脱饥饿困境，对解决世界粮食安全问题有着重要意义。玉米的杂交育种技术研发也非常成功。但是同为世界三大粮食作物之一的小麦，受其六倍体复杂性所限，却在杂交育种上停滞不前。多年来，世界育种家们都在寻求突破，但这条路走得异常困难。
近日，先正达生物科技（中国）有限公司（以下简称先正达集团）资深研究员吕建课题组在《自然—生物技术》上在线发表研究论文，他们开发出了作物上首个具商业化潜力的父本单倍体诱导技术。
杂交小麦育种因此有望驶上快车道。
急需新技术解决小麦缺口
近年来，全球小麦消费量逐年上升，2012年到2016年全球小麦消费量的年均复合增长率为2.2%，2022年全球小麦消费量预计将超过8亿吨。
小麦在中国是两大口粮作物之一。近年来，我国小麦供需基本保持平衡。2010~2019年间，中国小麦主要从美国、加拿大和澳大利亚进口。
“保障小麦高产和稳产，是保证中国粮食安全的一个战略需求。”论文共同通讯作者吕建在接受《中国科学报》采访时指出，基于现有播种模式，中国小麦单位面积产量可以达到800~1200斤每亩。对比玉米、水稻等作物，还有很大的增产潜力可以挖掘。
市场上的玉米种子和很大比例的水稻种子都是杂交种，即通过杂交两个亲本得到的后代种子。“杂交种充分利用了杂种优势效应，可以提高生长势，增强病虫害抗性和提高产量。”吕建介绍。
杂种优势是指杂种第一代在体形、生长率繁殖力及行为特征方面均比亲本优越的现象。然而，一直以来，小麦杂种优势效应研究进展比较缓慢，这就限制了通过杂种优势来实现小麦增产稳产。
针对这一挑战，先正达集团开始探索新的杂交育种技术。
一步转育实现7%的诱导率
与水稻、玉米不同，小麦由于物种本身的复杂性，导致其杂交进展相对比较缓慢。
“水稻和玉米是二倍体，同样的基因一般只有2个拷贝。而小麦则是六倍体，同样的基因会有6个拷贝，所以小麦的种质创新相对比较费劲，育种周期很长，难度也很高。”中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室副主任王克剑告诉《中国科学报》。
多年来，科研人员一直致力于杂交小麦研究工作，积极布局三系小麦杂交育种技术。三系指的是细胞质雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢复系。近来，先正达集团科研人员取得了重大突破和进展。
在使用小麦三系杂交技术时，需要将不是不育系的材料转换成细胞质雄性不育背景。其本质就是以新材料的细胞核替换原有细胞质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。
“这在动物身上很容易实现，可以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。”吕建解释道，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。
所以，传统方法是将胞质可育品种（BB材料）同现有胞质不育系（AA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。
“我们开发了一步胞质不育转育技术。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。”吕建说。
胞质不育一步转育技术在概念上很简单，但实施起来很难。首先，可用于父本单倍体诱导的基因很少，只有玉米上的ig1和拟南芥上的CenH3基因。ig1突变只能产生1%的单倍体诱导率，并且在大部分玉米材料里会导致雄性不育。
吕建领导的团队将小麦ig1进行基因敲除，发现并不能诱导父本单倍体。这预示基于ig1的方法不太适用于更多作物。
而拟南芥CenH3基因自2010年被报道以来，是目前最有效的一个父本单倍体诱导基因。众多科学家花费了巨大的努力尝试在其它作物上重复拟南芥上的成功。然而他们都没有获得成功，以至于科学界一度怀疑CenH3的父本单倍体诱导是不是只能在拟南芥上实现。
吕建通过分析之前的实验设计推测，保持原有CenH3基因表达模式对于开发单倍体诱导技术很关键。他和论文共同通讯作者Tim Kelliher一起，创新性地设计了一对gRNA，只在CenH3蛋白氮端引入回码突变，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。
“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。”先正达集团总裁张蓓在接受《中国科学报》采访时说。
创新育种技术的“基石”
另外一个挑战是在小麦上操作CenH3基因。CenH3基因编码着丝粒特异组蛋白，是减数分裂和有丝分裂所必需的。突变CenH3往往会导致作物不育和发育阻滞。而小麦是异源多倍体，有A、B和D三套基因组，同时小麦中有两个CenH3基因，即α和β，这又增加了操作难度。
“根据多年的研究经验，同样的方法和设计模式不能完全‘套’到不同作物上。我们需要自己摸索。”吕建说。
先正达集团科研人员通过基因组特异表达分析，将目标缩小到了CenH3-A和CenH3-B。同时，他们优化小麦编辑体系产生了大量的编辑材料，通过大量测序工作和杂交工作，最终开发了父本单倍体诱导系统。
此外，研究团队发现，回码突变在杂合状态下能更高效地诱导单倍体，这一新发现区别于之前拟南芥的报道。
“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。而他们这项成果最大的亮点是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，促进杂交小麦在更大范围的利用和推广。”王克剑说。
在张蓓看来，这一突破不仅拓展了单倍体诱导技术，加速杂交小麦种质资源创制，实现“一步到位”，同时对整个杂交作物研究也有所助益，可以成为其他作物创新育种技术的“基石”，具有非常广阔的商业前景。
先正达集团正积极准备在欧洲推广杂交小麦，目前用的还是常规育种技术。张蓓表示，根据不同地区和国家的监管政策，先正达集团希望能尽快把这项技术推广应用。
“根据预测，杂交小麦技术可以帮助小麦增产5%~10%，这已经是很了不得的进步。通过一步胞质不育转育技术，可以加速小麦杂种优势的基础研究和杂交小麦的推广。如果能做到杂交水稻那种规模，这将是划时代的。”吕建对杂交小麦的未来充满期盼。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41587-020-0728-4
小麦族多组学网站：http://202.194.139.32