圖片來(lái)自yourgenome.org
撰文 | 顧卓雅
責(zé)編 | 葉水送
人類對(duì)作物的馴化已持續(xù)了上萬(wàn)年。農(nóng)作物每一個(gè)優(yōu)秀的特性從發(fā)現(xiàn)到形成穩(wěn)定的種子都需要數(shù)年甚至數(shù)十年。近年來(lái)，基因編輯技術(shù)讓這個(gè)過(guò)程大為簡(jiǎn)化，使得人們得以精確快速地編輯作物基因組，實(shí)現(xiàn)選育增產(chǎn)。2020年7月8日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院謝傳曉研究員發(fā)表論文，利用 CRISPR/Cas9 技術(shù)一步創(chuàng)制雄性不育系和保持系，為作物雜交技術(shù)提供了高效的培育方案。
在作物生產(chǎn)中，雜交種比純種更受歡迎。雜交種通常在生長(zhǎng)速率、產(chǎn)量、抗逆性等方面明顯優(yōu)于雙親，這種現(xiàn)象稱為雜種優(yōu)勢(shì)。目前，我國(guó)水稻的雜交種率約為50%，而玉米的雜交種率幾乎可達(dá)100%，足見(jiàn)雜交種在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要性。但根據(jù)孟德?tīng)柖桑s交種的自交后代會(huì)出現(xiàn)性狀分離，失去雜交種的優(yōu)勢(shì)。因此，為了獲得穩(wěn)定的雜交種，核心問(wèn)題是要避免自交。子一代F1可能具有雜種優(yōu)勢(shì)，但根據(jù)孟德?tīng)栠z傳定律，在子二代F2會(huì)再次出現(xiàn)親本的性狀。圖片：googleusercontent.com通常采用的解決辦法是利用雄性不育株構(gòu)建雜交系。由于雄性不育株的花粉發(fā)育不良，只能作為母本接受配套父本的花粉與之雜交，從而能確保產(chǎn)生的子代是具有優(yōu)勢(shì)的雜交種。同時(shí)，子代還需要產(chǎn)生新的母本和父本。只有建立了這樣的雜交系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)高效的田間種子生產(chǎn)線。
盡管過(guò)去幾十年中，雜交技術(shù)已讓全世界作物產(chǎn)量顯著提高，但這些方法對(duì)植物的基因型有非常特殊的要求，因而建立穩(wěn)定的不育和可育品種和后續(xù)的生產(chǎn)維護(hù)都過(guò)程繁瑣，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為了解決雜交技術(shù)中的難點(diǎn)，謝傳曉團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)研究中，利用CRISPR/Cas9的新系統(tǒng)簡(jiǎn)化了雜交育種的流程，僅需一步就可以創(chuàng)制不育系和保持系，并同時(shí)解決了不育基因?qū)牒筒挥旰Y選的問(wèn)題。研究者首先構(gòu)建了兩個(gè)載體：一個(gè)用來(lái)構(gòu)建創(chuàng)制雄性不育系，用來(lái)創(chuàng)制保持系。MS26ΔE5-Editor 載體具有基因編輯活性，用于創(chuàng)制雄性不育系。通過(guò)剪掉玉米中育性基因MS26的一小段，使MS26基因失去功能，讓玉米雄性不育。而MGM載體則用于創(chuàng)制保持系，包括三個(gè)基因，一個(gè)用來(lái)恢復(fù)MS26的功能，另一個(gè)是能導(dǎo)致花粉失去活性的酶，還有一個(gè)會(huì)讓玉米粒發(fā)出紅色熒光。最終，經(jīng)過(guò)處理的玉米胚胎將攜帶兩個(gè)被剪切的MS26和一個(gè)MGM拷貝。在雜交體系中，使用不育系作為母本，就可以與其他父本優(yōu)勢(shì)種雜交獲得雜交種。而使用保持系自交時(shí)，由于MGM上攜帶的花粉淀粉酶基因會(huì)造成花粉敗育，因此只有不攜帶MGM的花粉可以作為雄配子，雌配子則一半攜帶MGM，一半不攜帶MGM，最終產(chǎn)生一半不育系和一半保持系。由于MGM上的熒光基因，保持系的玉米籽粒會(huì)發(fā)出熒光。實(shí)驗(yàn)證明，不管是人工和機(jī)器方法都可以有效的區(qū)分不育系和保持系籽粒的熒光，以便篩選。在這個(gè)系統(tǒng)中，不育系植株不攜帶外源性的MGM基因，因此只要是與非轉(zhuǎn)基因品種雜交產(chǎn)生的后代，就不是轉(zhuǎn)基因作物。
除了玉米，MS26基因在許多作物中功能保守，例如水稻、谷子、小麥和高粱，因此該方法可以很容易的應(yīng)用在其他作物中，為雜交技術(shù)提供基礎(chǔ)。
自人類馴化植物以來(lái)，人們選擇種植最優(yōu)秀的種子，以便獲得最高的產(chǎn)量?，F(xiàn)在，這一過(guò)程可以被基因編輯大大加快。與轉(zhuǎn)基因食品不同，基因編輯是編輯了物種本身的基因，而不轉(zhuǎn)入其他物種的基因。經(jīng)過(guò)基因編輯的作物，與人工選育或自然突變形成的效果十分相似，難以區(qū)分。隨著基因編輯技術(shù)的發(fā)展，許多原本依靠轉(zhuǎn)基因技術(shù)的育種可以由基因編輯技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，各國(guó)對(duì)基因編輯的態(tài)度和監(jiān)管各有區(qū)別。美國(guó)對(duì)基因編輯作物的監(jiān)管松散，基本不受限制。歐洲則將基因編輯技術(shù)與轉(zhuǎn)基因歸為一類，受到相似的監(jiān)管。而中國(guó)對(duì)基因編輯作物的監(jiān)管仍不明確，尚未進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用，但相關(guān)科研成果早已位于世界前列。或許在不久的將來(lái)，基因編輯不僅可以通過(guò)改變育性來(lái)推進(jìn)雜交技術(shù)的發(fā)展，更可以直接編輯高產(chǎn)，營(yíng)養(yǎng)或減毒基因，改良作物，讓我們的食品更加營(yíng)養(yǎng)和豐富。雄性不育從原理上可以分為核質(zhì)互作不育（簡(jiǎn)稱胞質(zhì)不育，CMS）和核不育（GMS），由此衍生出不同的雜交培育方法。
上世紀(jì)70年代發(fā)展的第一代雜交技術(shù)，是基于CMS的 “三系法”。盡管得到了大規(guī)模應(yīng)用，但 “三系法” 需要利用 “雄性不育系”、“保持系” 和 “恢復(fù)系”三系配套來(lái)完成，受到恢保關(guān)系的限制，不但技術(shù)上復(fù)雜、效率較低，而且難以獲得最優(yōu)勢(shì)的性狀，還可能受到?；『Φ挠绊?。
三系雜交系統(tǒng)。圖片：http://www.ershenghuo.com/shenghuoxiaochangshi/ShuLiHuaChangShi/234288上世紀(jì)90年代，第二代雜交技術(shù)基于光、溫敏雄性不育發(fā)展了 “二系法”，是目前水稻種植主要應(yīng)用的方法?！岸捣ā?比 “三系法” 系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但由于雄性不育需要特定的光溫條件，因此容易受環(huán)境條件影響，有時(shí)無(wú)法保證效果。
第三代雜交技術(shù)旨在利用GMS來(lái)構(gòu)建更簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的雜交系。但由于需要將不育基因?qū)胨枰倪z傳背景中，耗時(shí)較長(zhǎng)。從發(fā)現(xiàn)野生的核不育隱性基因到回交導(dǎo)入母本中，需要耗費(fèi)數(shù)年。而且還存在不育株與可育株不好區(qū)分，難以機(jī)械化的困難。
作者簡(jiǎn)介
顧卓雅，復(fù)旦大學(xué)生物信息學(xué)博士，上海市科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員，公眾號(hào) “顧小姐的百草園” 創(chuàng)始人，從事科普教育活動(dòng)8年。
參考文獻(xiàn)
1. 袁隆平. 水稻的雄性不孕性.科學(xué)通報(bào),1966,17:185-188.
2. 袁隆平. 兩系法雜交水稻研究的進(jìn)展.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),1990(03):1-6.
3. Xiantao Qi, Congsheng Zhang, Jinjie Zhu, Changlin Liu, Changling Huang, Xinhai Li, and Chuanxiao Xie. Genome Editing Enables Next-Generation Hybrid Seed Production Technology, Molecular Plant, 2020,https://doi.org/10.1016/j.molp.2020.06.003
制版編輯 | 皮皮魚(yú)
