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[新京报]不育变可育 中国科学家通过基因编辑恢复矮败小麦育性

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  利用不育系材料育种,是小麦、水稻等自花授粉作物育种中重要的方法。但在育种中,一些不育系材料会表现出综合优良的特性,如何从这些材料中直接选育新品种,让它们发挥更大的作用?

  近日,中国农业科学院作物科学研究所利用CRISPR技术,编辑小麦Ms2基因,彻底恢复了矮败小麦育性,为从优良矮败小麦群体和太谷核不育小麦群体中培育小麦新品种奠定了基础。

  利用不育系材料育种是常见且重要的方法, 在自花授粉作物的杂交育种中为何选择不育系材料?中国农科院作物所研究员叶兴国介绍,所谓不育系,是指雌蕊发育正常,但雄蕊发育异常或花粉败育的植物材料,所以不能自己授粉结实,必须接受其它可育材料的花粉才能产生种子和繁殖后代。

  

  工作人员在麦田中选出矮杆、不育的矮败小麦,进行人工授粉。中国农科院供图

  相对于正常育性材料的育种利用,不育系有自身特殊的优势,叶兴国解释称,“不育系有3个主要用途,其一是与恢复系杂交来配制杂交种,更好地利用杂种优势;其二是开放接受外来花粉,进行轮回选择育种,从后代中通过自交选择优良品种;其三是在杂交育种中不用给母本人工去雄,提高工作效率。”

  不育系的发现和利用,极大地推进了杂交育种和杂种优势利用育种的进程,尤其在水稻育种中,其杂种优势表现明显,发挥了巨大的作用,上世纪,袁隆平育成三系杂交稻,使常规稻产量提高20%,最初就是从发现一株不育系水稻材料开始的。

  除了自花授粉的小麦、水稻、大豆等作物,在异花授粉作物如玉米育种中,不育系也被广泛利用,叶兴国介绍,“主要是省去了人工去雄的工作,如果没有不育系,制种时就需要用人工去雄,这一工序非常繁琐,同时也不能保证彻底去雄,时常会影响杂交种制种的效果”。

  矮败小麦,我国特有种质资源

  在小麦育种中,不育系材料主要用于常规杂交育种中,叶兴国解释,“不育系可以省去去雄工序,像异花授粉作物那样开放接受其它品种的花粉,进行轮回选择,扩大了变异范围和选择范围。”

  太谷核不育小麦和矮败小麦是我国特有的种质资源,在小麦育种中应用极为广泛。其中,太谷核不育小麦是上世纪七十年代科学家偶然在田间发现的,而矮败小麦则是一系列不同遗传背景的矮杆、自身雄性不育(没有花药)的小麦材料。

  过去数十年中,我国科学家利用矮败小麦和太谷核不育小麦进行轮回选择育种,已经培育了多个优良小麦品种。

  但在育种过程中,科学家们发现,矮败小麦在与高杆小麦杂交后,下一代中有一半的植株仍然是矮败小麦,表现为矮秆、不育,需要持续授粉;另外一半的植株育性恢复,表现为高杆、可育。叶兴国解释称,“可育的一半植株中,如果发现性状优良的个体,就可以选育为优良新品种。因为它是可育的,所以可以直接作为种子。问题在于,如果在不育的一半植株中,发现了性状优良的,怎么办?正常情况下,它仍然是不育材料,不能培育为新品种”。

  右侧为分离出的可育植株,给左侧的矮败小麦授粉以后,其杂交后代中总是分离出一半的矮败小麦(左,不能用于育种选择)和高杆可育小麦(右,可以用于育种选择)。中国农科院供图

  新型技术,把不育变成可育

  八十年代中期至九十年代末期,科学家们通过细胞遗传学技术和回交育种技术,定位了控制太谷核不育小麦中的不育基因,创制了标记太谷核不育植株的矮败小麦。

  叶兴国介绍,“前人研究发现,其不育性由位于小麦4DS染色体上的显性基因Ms2控制,并于2017年克隆了Ms2基因。因此,研究团队根据上述工作,利用基因编辑技术和遗传转化技术,针对性地修饰Ms2基因。研究结果表明,确实可以彻底恢复优良矮败小麦、太谷核不育小麦,以及携带Ms2基因小黑麦和硬粒小麦等不育材料的育性”。

  这意味着,矮败小麦和其他高杆小麦杂交,后代中不育的那一半中,如果出现了性状优良的不育群体,我们也可以通过遗传操作技术,将不育变为可育,进而直接从中培育优良品种。

  据介绍,该研究得到国家重点研发计划和中国农科院科技创新工程等项目资助,相关研究成果在线发表在《植物生物技术杂志》上。

(单位:中国农业科学院作物科学研究所 )
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