圖片來自yourgenome.org
撰文 | 顧卓雅
責編 | 葉水送
人類對作物的馴化已持續(xù)了上萬年。農作物每一個優(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，基因編輯技術讓這個過程大為簡化，使得人們得以精確快速地編輯作物基因組，實現(xiàn)選育增產。2020年7月8日，中國農業(yè)科學院謝傳曉研究員發(fā)表論文，利用 CRISPR/Cas9 技術一步創(chuàng)制雄性不育系和保持系，為作物雜交技術提供了高效的培育方案。
在作物生產中，雜交種比純種更受歡迎。雜交種通常在生長速率、產量、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。目前，我國水稻的雜交種率約為50%，而玉米的雜交種率幾乎可達100%，足見雜交種在農業(yè)生產中的重要性。但根據孟德爾定律，雜交種的自交后代會出現(xiàn)性狀分離，失去雜交種的優(yōu)勢。因此，為了獲得穩(wěn)定的雜交種，核心問題是要避免自交。子一代F1可能具有雜種優(yōu)勢，但根據孟德爾遺傳定律，在子二代F2會再次出現(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，從而能確保產生的子代是具有優(yōu)勢的雜交種。同時，子代還需要產生新的母本和父本。只有建立了這樣的雜交系統(tǒng)，才能實現(xiàn)高效的田間種子生產線。
盡管過去幾十年中，雜交技術已讓全世界作物產量顯著提高，但這些方法對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)的生產維護都過程繁瑣，且費時費力。為了解決雜交技術中的難點，謝傳曉團隊在這項研究中，利用CRISPR/Cas9的新系統(tǒng)簡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，并同時解決了不育基因導入和不育株篩選的問題。研究者首先構建了兩個載體：一個用來構建創(chuàng)制雄性不育系，用來創(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，包括三個基因，一個用來恢復MS26的功能，另一個是能導致花粉失去活性的酶，還有一個會讓玉米粒發(fā)出紅色熒光。最終，經過處理的玉米胚胎將攜帶兩個被剪切的MS26和一個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)勢種雜交獲得雜交種。而使用保持系自交時，由于MGM上攜帶的花粉淀粉酶基因會造成花粉敗育，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發(fā)出熒光。實驗證明，不管是人工和機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，因此只要是與非轉基因品種雜交產生的后代，就不是轉基因作物。
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用在其他作物中，為雜交技術提供基礎。
自人類馴化植物以來，人們選擇種植最優(yōu)秀的種子，以便獲得最高的產量?，F(xiàn)在，這一過程可以被基因編輯大大加快。與轉基因食品不同，基因編輯是編輯了物種本身的基因，而不轉入其他物種的基因。經過基因編輯的作物，與人工選育或自然突變形成的效果十分相似，難以區(qū)分。隨著基因編輯技術的發(fā)展，許多原本依靠轉基因技術的育種可以由基因編輯技術來實現(xiàn)。目前，各國對基因編輯的態(tài)度和監(jiān)管各有區(qū)別。美國對基因編輯作物的監(jiān)管松散，基本不受限制。歐洲則將基因編輯技術與轉基因歸為一類，受到相似的監(jiān)管。而中國對基因編輯作物的監(jiān)管仍不明確，尚未進行生產應用，但相關科研成果早已位于世界前列。或許在不久的將來，基因編輯不僅可以通過改變育性來推進雜交技術的發(fā)展，更可以直接編輯高產，營養(yǎng)或減毒基因，改良作物，讓我們的食品更加營養(yǎng)和豐富。雄性不育從原理上可以分為核質互作不育（簡稱胞質不育，CMS）和核不育（GMS），由此衍生出不同的雜交培育方法。
上世紀70年代發(fā)展的第一代雜交技術，是基于CMS的 “三系法”。盡管得到了大規(guī)模應用，但 “三系法” 需要利用 “雄性不育系”、“保持系” 和 “恢復系”三系配套來完成，受到恢保關系的限制，不但技術上復雜、效率較低，而且難以獲得最優(yōu)勢的性狀，還可能受到專化病害的影響。
三系雜交系統(tǒng)。圖片：http://www.ershenghuo.com/shenghuoxiaochangshi/ShuLiHuaChangShi/234288上世紀90年代，第二代雜交技術基于光、溫敏雄性不育發(fā)展了 “二系法”，是目前水稻種植主要應用的方法?！岸捣ā?比 “三系法” 系統(tǒng)簡單，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，有時無法保證效果。
第三代雜交技術旨在利用GMS來構建更簡單、穩(wěn)定的雜交系。但由于需要將不育基因導入所需要的遺傳背景中，耗時較長。從發(fā)現(xiàn)野生的核不育隱性基因到回交導入母本中，需要耗費數(shù)年。而且還存在不育株與可育株不好區(qū)分，難以機械化的困難。
作者簡介
顧卓雅，復旦大學生物信息學博士，上海市科普作家協(xié)會會員，公眾號 “顧小姐的百草園” 創(chuàng)始人，從事科普教育活動8年。
參考文獻
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2. 袁隆平. 兩系法雜交水稻研究的進展.中國農業(yè)科學,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
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