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雜交種在過(guò)去的幾十年間極大提高了世界糧食作物的產(chǎn)量，但如何高效穩(wěn)定地生產(chǎn)雜交種一直是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一大難題。如今，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院的專(zhuān)家利用基因編輯技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新的育種方法，利用最新的基因編輯CRISPR技術(shù)，將研發(fā)建立雜交種生產(chǎn)線的時(shí)間減少5至10年。這項(xiàng)技術(shù)還能生產(chǎn)非轉(zhuǎn)基因的品種。該研究在7月8日發(fā)表在Cell Press細(xì)胞出版社旗下期刊Molecular Plant（《分子植物》）上。

在糧食種植領(lǐng)域中，雜交種比起純種更具有優(yōu)勢(shì)。將擁有不同基因特征的作物雜交，得到的后代通常比第一代具有更優(yōu)越的性狀，比如高產(chǎn)、高抗病性與廣適應(yīng)性。這一現(xiàn)象被稱(chēng)為雜種優(yōu)勢(shì)。

“但是現(xiàn)階段的雜交種生產(chǎn)技術(shù)非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力?！?論文通訊作者、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院的謝傳曉教授和李新海教授說(shuō)。

比如，雜交種生產(chǎn)至關(guān)重要的一步是找到或是生產(chǎn)出沒(méi)有有效花粉的雄性不育親本作為雜種生產(chǎn)的母本。這樣能在很大程度上避免母本接受自己的花粉，并讓它們接受另外一類(lèi)擁有不同性狀的作物的花粉，以達(dá)到雜交的目的。但是這種不育的特征是由植物的基因控制，要培養(yǎng)出一條穩(wěn)定的繁殖不育親本線通常需要很長(zhǎng)的時(shí)間，而且還需要一個(gè)保持育性的保持系。保持系生產(chǎn)出的保持系需要能夠自交并生產(chǎn)出保持系與不育系，才能源源不斷繁殖不育系和保持系并生產(chǎn)雜交種，形成高效的種子生產(chǎn)技術(shù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)的雜交種籽種。

這些步驟對(duì)于育種的親本基因有很高的要求，生產(chǎn)環(huán)節(jié)也非常復(fù)雜。以至于培育雜交種的周期長(zhǎng)，效率低。

“這些缺點(diǎn)都限制了現(xiàn)有的雜交手段在農(nóng)業(yè)上的更大規(guī)律利用?！敝x傳曉說(shuō)，“我們的新系統(tǒng)，可以利用CRISPR/Cas9 來(lái)簡(jiǎn)化流程，只要一次轉(zhuǎn)化就夠了。”

謝傳曉的團(tuán)隊(duì)首先構(gòu)建了一個(gè)搭載了RNA指導(dǎo)的Cas9 酶的表達(dá)載體。這條載體的目的是將玉米核基因中 MS26控制雄花育性的重要功能部分刪除。他們還創(chuàng)建了第二個(gè)載體，搭載了一條人造的基因，MGM。這條基因有三個(gè)功能：一個(gè)能恢復(fù)植物雄花發(fā)育的MS26正常開(kāi)花性狀，一個(gè)讓花粉失活的酶，以及一個(gè)位于種子上的紅色熒光標(biāo)記。該團(tuán)隊(duì)將這兩個(gè)載體轉(zhuǎn)化到農(nóng)桿菌中，并介導(dǎo)玉米幼胚遺傳轉(zhuǎn)化。由于玉米是孢子植物，轉(zhuǎn)化后的玉米植株篩選得到攜帶有一對(duì)被編輯過(guò)的MS26，以及一條單獨(dú)的MGM。編輯后的玉米植株自交繁殖，會(huì)以1比1的比例得到兩種不同的后代：一個(gè)是僅有有不育MS26基因的后代、一個(gè)是既有不育MS26又有MGM的后代。

前一類(lèi)沒(méi)有MGM的后代具有穩(wěn)定的雄性不育基因，稱(chēng)為不育系，非常適合用于玉米雜交育種和雜交制種。并且由于不育系并不攜帶外來(lái)的基因，用它與其他非轉(zhuǎn)基因品種生產(chǎn)出的雜交種也并非轉(zhuǎn)基因作物。

第二類(lèi)含有MGM基因的后代與它的親本其實(shí)擁有一樣的基因，所以這一類(lèi)種子又稱(chēng)為保持系。這些植物可以通過(guò)自交繁殖，持續(xù)生產(chǎn)不育系與保持系。

由于MGM基因上攜帶的顏色記號(hào)蛋白，保持系的種子在熒光燈會(huì)呈現(xiàn)紅色，能很容易地與不育系區(qū)別開(kāi)，使分揀兩類(lèi)種子成為可能。

“我們的系統(tǒng)降低了生產(chǎn)雜交種的成本，種子生產(chǎn)時(shí)無(wú)需人工或機(jī)械去雄。所以用這種方式生產(chǎn)出的種子的價(jià)格也會(huì)下降，而種子的質(zhì)量還能有所提高?！敝x傳曉說(shuō)。

不僅是玉米，MS26也存在于其他糧食作物上，包括水稻、谷子、小麥和高粱。所以這項(xiàng)技術(shù)可以直接運(yùn)用到其他作物上，也可以運(yùn)用在其他類(lèi)似的基因上，比如水稻上的MS7。

“只要把相關(guān)申請(qǐng)?jiān)S可手續(xù)做好，從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，這個(gè)系統(tǒng)大規(guī)模運(yùn)用生產(chǎn)不會(huì)有什么太大的障礙。該類(lèi)技術(shù)在美國(guó)與日本等國(guó)家與普通作物一樣，屬于免于監(jiān)管的類(lèi)型。”謝傳曉說(shuō)。