邁向第三代雜交小麥：中國科學家最新突破 | 前沿
采訪 | 徐可
責編 | 李娟
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將善于奔跑的馬和耐力持久的驢雜交，產生的后代騾子兼具雙親的優(yōu)勢，這種現(xiàn)象稱為“雜種優(yōu)勢”，在自然界中普遍存在。人們很早就想將雜種優(yōu)勢現(xiàn)象應用到農作物生產中去，以培育兼具雙親優(yōu)良農藝性狀的雜交玉米、水稻和小麥。
上世紀30年代，雜交玉米技術在生產中得到大規(guī)模應用；雜交水稻技術也于上世紀70年代起開始廣泛應用。而雜交小麥技術卻一直未能取得突破以獲得大規(guī)模應用。
小麥是全球范圍內種植的主要糧食作物，是全球大約30%人口的主要食物來源。全球人口的持續(xù)增長、人們生活質量的改善要求小麥產量和品質隨之提高。
目前，專家預計提高小麥產量和品質最有效的途徑，仍是依賴雜交育種技術，創(chuàng)制雜交小麥。小麥是嚴格雌雄同花、自花授粉的作物，雜交小麥種子的研制嚴格依賴于小麥雄性不育系。因為缺乏規(guī)模制種的穩(wěn)定雄性不育系，全球雜交小麥的種植面積只有總種植面積的約0.2%，而中國雜交水稻的種植面積占水稻總種植面積的比例已達40%。
小麥雄性不育突變體的篩選始于60年前，目前已經篩選到至少5個核基因編碼的雄性不育突變體，被命名為ms1-ms5。其中ms1和ms5是隱性突變體，ms2、ms3和ms4是顯形突變體?？寺】刂菩←溞坌圆挥蚴抢眯坌圆挥狄?guī)?；苽潆s交小麥種子的關鍵。之前還沒有任何一個小麥雄性不育基因被克隆，2017年開始才陸續(xù)有國內外科學家克隆出小麥Ms2和Ms1基因。
2017年4月，山東農業(yè)大學付道林團隊(Ni et al., Nature Communications, 8:15121)和中國農業(yè)科學院賈繼增團隊(Xia et al., Nature Communications, 8:15407)分別發(fā)表了小麥Ms2基因的克隆和鑒定工作。由于ms2突變體的顯性屬性可以用于小麥育種，并成為一個重要育種工具，但它很難用于規(guī)?；←滊s交制種。因此，小麥隱性雄性不育突變體基因的克隆，對創(chuàng)制規(guī)模化小麥雜交制種體系極為關鍵。
2017年10月至11月的30天內，中外科學家同時報道了小麥Ms1基因的克隆和鑒定工作。首都師范大學馬力耕團隊和北京大學鄧興旺團隊合作報道了克隆Ms1基因的工作[1]。
?美國科學院院士、北京大學生命科學學院教授鄧興旺
馬力耕和鄧興旺的合作研究首先根據(jù)小麥基因組巨大和復雜的特點，建立了一種結合基因組學分析的MutMap技術和傳統(tǒng)圖位克隆方法、適合小麥基因克隆的新方法(命名為MutMap-based cloning)，并利用該方法成功克隆了Ms1基因，進一步通過轉基因互補和多個ms1等位突變體（他們分離了11個新的ms1等位基因突變體）的鑒定分析證實了所克隆到基因的正確性。
通過原位雜交實驗，他們還發(fā)現(xiàn)，Ms1基因在小孢子母細胞特異表達，該基因的突變導致小孢子發(fā)生過程中有絲分裂障礙。普通小麥是由A、B、D三套染色體組成的異源六倍。他們證實了Ms1基因定位在小麥4B染色體上，小麥4A和4D染色體各有一個Ms1同源基因，由于這兩個Ms1同源基因的啟動子被甲基化修飾導致這兩個基因沉默，但這兩個同源基因在A和D染色體的祖先烏拉耳圖小麥、一粒小麥以及AABB四倍體小麥中均表達，表明在六倍體小麥形成過程中來自A和D基因組中的Ms1同源基因發(fā)生了沉默，只有Ms1基因特異性地在小孢子母細胞中表達。但轉化來自D基因組的 Ms1同源基因可以恢復ms1突變表型，表明小麥基因組中Ms1同源基因的功能與Ms1基因相同。
他們還發(fā)現(xiàn)Ms1基因只存在于禾本科植物中，但其它被子植物基因組中存在分別對應于Ms1 的3'和5'序列的基因，表明Ms1基因是在禾本科植物進化過程中通過基因融合形成的一個新基因。
Ms1基因編碼的蛋白具有推測的信號肽、跨膜域和脂結合結構域，他們進一步證明了Ms1蛋白定位于質體和線粒體外膜，其中的信號肽負責Ms1蛋白由合成部位轉移到內質網，跨膜域負責Ms1蛋白由內質網定位到質體和線粒體外膜；同時，他們還提供證據(jù)表明 Ms1蛋白特異結合磷脂酸（Phosphatidic acid）和磷酸化的磷脂酰肌醇（Phosphatidyl inositol-phosphates），表明磷脂酸和磷脂酰肌醇由合成部位內質網轉移到質體和線粒體對小孢子發(fā)生有重要作用。
另一項克隆Ms1基因的工作來自于澳大利亞Adelaide大學、悉尼大學和美國杜邦先鋒公司的合作(Tucker et al., Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467 -017-00945-2)。他們采用圖位克隆方法克隆了小麥Ms1基因，并通過轉基因互補和ms1等位突變體分析證實克隆到的基因正確。他們也發(fā)現(xiàn)Ms1基因只存在于禾本科植物中，且在小麥中的兩個同源基因不表達。通過promoter-GUS轉基因實驗發(fā)現(xiàn)Ms1基因在小孢子和花藥中表達，該基因突變導致花藥中長鏈脂肪酸積累和花粉外壁結構被破壞。
國內外科學家團隊幾乎同時報道了克隆小麥Ms1基因的工作，也相互印證了彼此工作的正確性。但對比兩項研究工作，不難發(fā)現(xiàn)，馬力耕團隊和鄧興旺團隊合作的研究工作遠比國外團隊的工作更系統(tǒng)更深入。
北京大學鄧興旺教授介紹說，小麥雜種優(yōu)勢現(xiàn)象已經被發(fā)現(xiàn)近百年，已有結果表明小麥雜種優(yōu)勢增產潛力可達30%。幾十年來，人們利用細胞質雄性不育系或化學殺雄等手段做了多次創(chuàng)制小麥雜交制種體系的嘗試。但由于細胞質雄性不育穩(wěn)定性差、化學殺雄劑毒性和選擇性差等不可克服的問題，使得目前為止還無法創(chuàng)制可行的規(guī)?；←滊s交制種體系。Ms1基因的克隆為進一步創(chuàng)制雜交小麥制種新技術打下了堅實的基礎，使通過分子設計創(chuàng)制新的規(guī)模化小麥雜交制種技術成為可能。
?分別于上世紀30年代和70年代引入的雜交玉米和水稻技術對農業(yè)生產貢獻巨大。
鄧興旺教授還解答了關于小麥和水稻雜交育種技術的一些熱點問題：
問：小麥和水稻雜交育種的關鍵技術是什么？
答：與驢、馬不同的是，水稻和小麥采用自交的策略繁殖后代。以水稻為例，其每一朵花中既有雄性生殖器官（雄蕊）又有雌性生殖器官（雌蕊），稱之為“雙性花”。每一個稻穗上有上百朵或更多這樣的小花，每一朵小花中的雄蕊產生的花粉與這朵花的雌蕊授粉（稱為“自花授粉”），最終花粉中的一個精細胞和雌蕊中的卵細胞結合發(fā)育成胚，另一個精細胞則與雌蕊中的中央細胞結合發(fā)育成胚乳，成熟的胚和胚乳再加上包裹它們的種皮和谷殼就構成了水稻種子，在適宜的條件下就可以萌發(fā)生長成一株新的水稻。我們食用的大米正是從水稻種子加工（去谷殼）而來的。
由于水稻天然的“雙性花”和“自花授粉”的特點，如何才能使一株水稻的花粉與另一株不同的水稻的雌蕊授粉、從而實現(xiàn)水稻雜交呢？科學家想到的辦法是給水稻做“變性手術”—— “人工去雄水稻雜交技術”：人為地去掉一株水稻的雄蕊，獲得只有雌蕊的“雌水稻”作為母本；而作為父本的水稻不用特別處理，因為含有精細胞的花粉很容易隨風飄落到旁邊已去掉了雄蕊的母本水稻的雌蕊上，授粉后就可以獲得雜交水稻種子。
雜交水稻技術最關鍵的地方便是“去雄”，產生“雌水稻”以備授粉。如果人們要生產足夠多的雜交水稻種子，就要在大面積稻田中對著數(shù)不勝數(shù)的水稻植株進行海量的人工去雄工作，需要極為繁重的人力工作，在生產上是不現(xiàn)實的。
那么，有沒有辦法批量地實施“變性手術”呢？1963年，Henry Beachell首先成功實現(xiàn)了雜交水稻技術，科學家們發(fā)展了多種不同的雜交水稻技術方案，可分為第一、第二和第三代雜交水稻技術。
雜交水稻技術的最初突破，來自大自然的慷慨饋贈。1964年和1965年，袁隆平從“勝利秈”、“矮特號”等水稻中發(fā)現(xiàn)了6株雄性不育株，其雄蕊發(fā)育不正常，不能產生正?？捎幕ǚ?；而其雌蕊發(fā)育正常，可以接受花粉完成受精。將這些雄性不育株作為母本經授粉雜交后，雜交種具有生長優(yōu)勢和產量優(yōu)勢。
但因不育株不能自交結實，不能繁殖具有不育特性的種子，故不能持續(xù)、大批量地開展雜交。要實現(xiàn)水稻雜種優(yōu)勢的大面積推廣應用，不僅要有雄性不育株，還必須有一套繁殖不育系的方法。
機智的科學家們研究出了巧妙的“三系法”雜交技術，以雄性不育株為母本（為“不育系”）、雄性可育株為父本進行雜交，能使雜交種可育的父本為“恢復系”，使雜交種繼續(xù)保持花粉不育的父本為“保持系”。即用恢復系與不育系雜交制備大面積生產用的雜交種子，用保持系與不育系雜交制備不育系種子。
“三系法”雜交技術最先在玉米中應用。袁隆平團隊根據(jù)“三系法”雜交技術原理開展了雜交水稻技術的艱苦卓絕的攻關，1970年，袁隆平的學生及助手——李必湖在海南野生稻中發(fā)現(xiàn)一雄性敗育株，通過與栽培水稻雜交和多代回交，育成了以海南野生稻為細胞質、栽培水稻為細胞核的雄性不育株，并把這類不育系稱之為“野敗不育系”，隨后制備了該不育系的可育水稻作為保持系，并篩選出了相應的恢復系。自1973年后，雜交水稻在中國大面積推廣應用，為提高糧食產量作出了巨大貢獻。
理解三系法育種技術后，便會很容易理解兩系法育種技術。在三系法育種中，不育系、恢復系和保持系三者的組成設計雖然很巧妙，但是多了一步不育系與保持系雜交的環(huán)節(jié)，給雜交制種工作帶來了操作上的麻煩，使育種周期加長。那么，有沒有辦法僅讓不育系和恢復系雜交（“一妻一夫”），既能產生性狀優(yōu)良的雜交種，又能避免不育系絕種呢？
此時，大自然又為人類獻上了一份大禮。
1973年，雜交水稻專家石明松，在種植的粳稻農墾58試驗田中發(fā)現(xiàn)了一株雄性不育株，但在隨后按“三系法”雜交水稻的育種技術尋找保持系卻未獲成功。1979年，通過分期播種實驗發(fā)現(xiàn)，該不育系在9月3日以前的長日高溫季節(jié)抽穗為雄性不育，在之后的短日低溫季節(jié)抽穗其花粉可育，可自交結實，這種對光照長短和溫度高低敏感的不育系稱為“光溫敏雄性不育系”。
1981年，石明松提出了兩用不育系概念，開啟了我國兩系法雜交水稻育種技術的新紀元[2]。兩用不育系就是將光溫敏雄性不育系一系兩用：因為它在夏季高溫長日照條件下表現(xiàn)為雄性不育，所以可以作為母本（即作為不育系）與優(yōu)良性狀的父本雜交獲得生產上使用的雜交種；而在秋季低溫短日照條件下它卻是可育的，可以自交繁殖種子，從而保持了其光溫敏不育的特性（即用作保持系）。
這種方法利用大自然環(huán)境的變化來控制不育系雄性不育和可育的轉換，成功使得不育系兼具不育系和保持系的功能，由于該技術只需要不育系和恢復系兩個系而不需要額外的保持系，所以稱為“兩系法”雜交育種技術。
與三系法中不育系不同，兩系法中不育系的光溫敏不育特性是由細胞核內基因導致的，與細胞質無關[2]。而三系法中則是細胞質和細胞核基因共同作用導致不育。
不論第一代的基于核質互作不育的三系育種法，還是第二代的基于光溫敏核不育的兩系法育種，所利用的不育系都是大自然的饋贈。雖然兩系法育種簡化了三系法的程序，但是兩系法的實現(xiàn)由于對光照和溫度環(huán)境條件有嚴格的要求，所以有時也得靠天吃飯，技術的穩(wěn)定性不高。那么，如何才能在兩系法的基礎上再進一步發(fā)展，創(chuàng)造出穩(wěn)定可控、更有優(yōu)勢的不育系呢？
科學家們又在如何給水稻做“變性手術”上更進了一步。
2010年后，我們團隊在新一代雜交水稻育種技術上逐漸取得了突破，開發(fā)出了一種被稱為“智能不育雜交育種技術”的第三代雜交水稻技術[3]。智能不育雜交育種技術的核心思路與光溫敏不育的兩系法類似，即讓一個不育系在需要產生雜交后代時表現(xiàn)出雄性不育，而在其需要自交繁種時又可表現(xiàn)為雄性可育。這又是怎樣實現(xiàn)的呢？
首先對水稻進行了大規(guī)模的化學誘變，然后對誘變后的材料進行篩選，獲得了完全不能形成花粉的雄性不育突變株，再利用基因克隆技術找到了控制該雄性器官發(fā)育的基因，稱之為“OsNP1”。
接下來，通過將OsNP1基因與來自于玉米的α-淀粉酶基因、以及一種來自珊瑚的紅色熒光蛋白基因串聯(lián)起來，再將它們一起導入了先前獲得的水稻雄性不育植株中。在所獲得的轉基因株系中，OsNP1基因用于恢復雄性可育性，淀粉酶基因通過對淀粉的降解作用而使花粉失去活性，而紅色熒光蛋白可以作為標記來篩選種子。
將這個轉基因株系進行自交，所得到的后代將遵循孟德爾遺傳規(guī)律，會產生一半的非轉基因雄性不育種子（可作為不育系用于制備雜交種），和一半的轉基因雄性可育種子（這些可育種子自交后還會繼續(xù)產生一半的不育種子，因而可作為保持系），兩者可以通過紅色熒光進行篩分。通過保持系給不育系授粉雜交，可以在不育系上結實，由此繁殖不育系；而保持系通過自交可以源源不斷地得以繁殖。
該設計能夠大批量生產非轉基因的、性狀穩(wěn)定的不育系，用于大面積制備雜交種子[4]。由于這類不育系的花粉不育性完全受核基因控制，不受光照和溫度環(huán)境因子影響，故易于實現(xiàn)安全、高產制種，降低雜交水稻制種成本，提高農民種田效益。
問：為什么小麥比水稻技術起步晚？
答：和雜交水稻相比，雜交小麥難度要大得多。小麥的技術難點在于它的基因組特別大，小麥基因組有17GB。人和水稻基因是兩倍體，小麥是六倍體，好多基因有重復序列，分析起來要復雜得多，很容易感覺碰壁。
雜交小麥的意義比雜交水稻更大，一是，可以全球應用；二是，因為現(xiàn)在還沒有規(guī)?；碾s交小麥技術。
我們對第三代水稻雜交技術的研究從2008年開始，去年完成，也申請了專利。
國外由三國科學家聯(lián)合并由杜邦資助的團隊比我們開始得要早。我們當時說服科技部和農業(yè)部給予我們支持，2008年科技部支持了我們對第三代水稻雜交技術的研究[3]。2009年我們申請到了農業(yè)部轉基因專項的基金支持小麥研究[1]，支持五年。2014年經費用完了，我們還是東拼西湊，一直把項目堅持做下來了，直到去年才取得突破。
我們目前是完成了三個基因元件的構造，一個是控制種子顏色的基因，一個是使花粉失活的基因，還有一個最重要的是控制小麥育性的基因，這個基因最難找，很長時間內一直都沒有找到，直到去年初我們才把突變基因找到并克隆出來。我們研究的重要意義在于把可以作為第三代雜交育種技術的雄性不育基因Ms1給克隆出來了。最關鍵的元件已經備齊了，目前我們已經申請了專利。有了這個基因，第三代雜交小麥就沒有什么懸念了，就是時間問題。我們預計2020年以后這個技術可以真正地應用到實踐中。
參考文獻：
[1] Wang, Z., Li J., Chen S., Heng Y., Chen Z., Yang J., Zhou K., Pei J., He H., Deng X. W. and Ma L. (2017). Poaceae-specific MS1 encodes a phospholipid-binding protein for male fertility in bread wheat. Proc Natl Acad Sci U S A doi: 10.1073/pnas.1715570114.
[2]石明松. 晚粳自然兩用系選育及應用初報. 湖北農業(yè)科學. 1981, 7:1-3.
[3]鄧興旺, 王海洋, 唐曉艷, 周君莉, 陳浩東, 何光明, 陳良碧, 許智宏. 雜交水稻育種將迎來新時代.中國科學. 2013, 43:864-868.
[4] Chang, Z., Chen Z., Wang N., Xie G., Lu J., Yan W., Zhou J., Tang X. and Deng X. W. (2016). Construction of a male sterility system for hybrid rice breeding and seed production using a nuclear male sterility gene. Proc Natl Acad Sci U S A 113(49): 14145-14150.
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