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迈向第三代杂交小麦:中国科学家最新突破

采访 | 徐可
责编 | 李娟
 
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将善于奔跑的马和耐力持久的驴杂交,产生的后代骡子兼具双亲的优势,这种现象称为“杂种优势”,在自然界中普遍存在。人们很早就想将杂种优势现象应用到农作物生产中去,以培育兼具双亲优良农艺性状的杂交玉米、水稻和小麦。
 
上世纪30年代,杂交玉米技术在生产中得到大规模应用;杂交水稻技术也于上世纪70年代起开始广泛应用。而杂交小麦技术却一直未能取得突破以获得大规模应用。
 
小麦是全球范围内种植的主要粮食作物,是全球大约30%人口的主要食物来源。全球人口的持续增长、人们生活质量的改善要求小麦产量和品质随之提高。
 
目前,专家预计提高小麦产量和品质最有效的途径,仍是依赖杂交育种技术,创制杂交小麦。小麦是严格雌雄同花、自花授粉的作物,杂交小麦种子的研制严格依赖于小麦雄性不育系。因为缺乏规模制种的稳定雄性不育系,全球杂交小麦的种植面积只有总种植面积的约0.2%,而中国杂交水稻的种植面积占水稻总种植面积的比例已达40%。
 
小麦雄性不育突变体的筛选始于60年前,目前已经筛选到至少5个核基因编码的雄性不育突变体,被命名为ms1-ms5。其中ms1和ms5是隐性突变体,ms2、ms3和ms4是显形突变体。克隆控制小麦雄性不育基因是利用雄性不育系规模化制备杂交小麦种子的关键。之前还没有任何一个小麦雄性不育基因被克隆,2017年开始才陆续有国内外科学家克隆出小麦Ms2和Ms1基因。
 
2017年4月,山东农业大学付道林团队(Ni et al., Nature Communications, 8:15121)和中国农业科学院贾继增团队(Xia et al., Nature Communications, 8:15407)分别发表了小麦Ms2基因的克隆和鉴定工作。由于ms2突变体的显性属性可以用于小麦育种,并成为一个重要育种工具,但它很难用于规模化小麦杂交制种。因此,小麦隐性雄性不育突变体基因的克隆,对创制规模化小麦杂交制种体系极为关键。
 
2017年10月至11月的30天内,中外科学家同时报道了小麦Ms1基因的克隆和鉴定工作。首都师范大学马力耕团队和北京大学邓兴旺团队合作报道了克隆Ms1基因的工作[1]。
 
 
马力耕和邓兴旺的合作研究首先根据小麦基因组巨大和复杂的特点,建立了一种结合基因组学分析的MutMap技术和传统图位克隆方法、适合小麦基因克隆的新方法(命名为MutMap-based cloning),并利用该方法成功克隆了Ms1基因,进一步通过转基因互补和多个ms1等位突变体(他们分离了11个新的ms1等位基因突变体)的鉴定分析证实了所克隆到基因的正确性。
 
通过原位杂交实验,他们还发现,Ms1基因在小孢子母细胞特异表达,该基因的突变导致小孢子发生过程中有丝分裂障碍。普通小麦是由A、B、D三套染色体组成的异源六倍。他们证实了Ms1基因定位在小麦4B染色体上,小麦4A和4D染色体各有一个Ms1同源基因,由于这两个Ms1同源基因的启动子被甲基化修饰导致这两个基因沉默,但这两个同源基因在A和D染色体的祖先乌拉耳图小麦、一粒小麦以及AABB四倍体小麦中均表达,表明在六倍体小麦形成过程中来自A和D基因组中的Ms1同源基因发生了沉默,只有Ms1基因特异性地在小孢子母细胞中表达。但转化来自D基因组的 Ms1同源基因可以恢复ms1突变表型,表明小麦基因组中Ms1同源基因的功能与Ms1基因相同。
 
他们还发现Ms1基因只存在于禾本科植物中,但其它被子植物基因组中存在分别对应于Ms1 的3'和5'序列的基因,表明Ms1基因是在禾本科植物进化过程中通过基因融合形成的一个新基因。
 
Ms1基因编码的蛋白具有推测的信号肽、跨膜域和脂结合结构域,他们进一步证明了Ms1蛋白定位于质体和线粒体外膜,其中的信号肽负责Ms1蛋白由合成部位转移到内质网,跨膜域负责Ms1蛋白由内质网定位到质体和线粒体外膜;同时,他们还提供证据表明 Ms1蛋白特异结合磷脂酸(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内质网转移到质体和线粒体对小孢子发生有重要作用。
 
另一项克隆Ms1基因的工作来自于澳大利亚Adelaide大学、悉尼大学和美国杜邦先锋公司的合作(Tucker et al., Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467 -017-00945-2)。他们采用图位克隆方法克隆了小麦Ms1基因,并通过转基因互补和ms1等位突变体分析证实克隆到的基因正确。他们也发现Ms1基因只存在于禾本科植物中,且在小麦中的两个同源基因不表达。通过promoter-GUS转基因实验发现Ms1基因在小孢子和花药中表达,该基因突变导致花药中长链脂肪酸积累和花粉外壁结构被破坏。
 
国内外科学家团队几乎同时报道了克隆小麦Ms1基因的工作,也相互印证了彼此工作的正确性。但对比两项研究工作,不难发现,马力耕团队和邓兴旺团队合作的研究工作远比国外团队的工作更系统更深入。
 
北京大学邓兴旺教授介绍说,小麦杂种优势现象已经被发现近百年,已有结果表明小麦杂种优势增产潜力可达30%。几十年来,人们利用细胞质雄性不育系或化学杀雄等手段做了多次创制小麦杂交制种体系的尝试。但由于细胞质雄性不育稳定性差、化学杀雄剂毒性和选择性差等不可克服的问题,使得目前为止还无法创制可行的规模化小麦杂交制种体系。Ms1基因的克隆为进一步创制杂交小麦制种新技术打下了坚实的基础,使通过分子设计创制新的规模化小麦杂交制种技术成为可能。
 
 
邓兴旺教授还解答了关于小麦和水稻杂交育种技术的一些热点问题:
 
问:小麦和水稻杂交育种的关键技术是什么?
 
答:与驴、马不同的是,水稻和小麦采用自交的策略繁殖后代。以水稻为例,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),称之为“双性花”。每一个稻穗上有上百朵或更多这样的小花,每一朵小花中的雄蕊产生的花粉与这朵花的雌蕊授粉(称为“自花授粉”),最终花粉中的一个精细胞和雌蕊中的卵细胞结合发育成胚,另一个精细胞则与雌蕊中的中央细胞结合发育成胚乳,成熟的胚和胚乳再加上包裹它们的种皮和谷壳就构成了水稻种子,在适宜的条件下就可以萌发生长成一株新的水稻。我们食用的大米正是从水稻种子加工(去谷壳)而来的。
 
由于水稻天然的“双性花”和“自花授粉”的特点,如何才能使一株水稻的花粉与另一株不同的水稻的雌蕊授粉、从而实现水稻杂交呢?科学家想到的办法是给水稻做“变性手术”—— “人工去雄水稻杂交技术”:人为地去掉一株水稻的雄蕊,获得只有雌蕊的“雌水稻”作为母本;而作为父本的水稻不用特别处理,因为含有精细胞的花粉很容易随风飘落到旁边已去掉了雄蕊的母本水稻的雌蕊上,授粉后就可以获得杂交水稻种子。
 
杂交水稻技术最关键的地方便是“去雄”,产生“雌水稻”以备授粉。如果人们要生产足够多的杂交水稻种子,就要在大面积稻田中对着数不胜数的水稻植株进行海量的人工去雄工作,需要极为繁重的人力工作,在生产上是不现实的。
 
那么,有没有办法批量地实施“变性手术”呢?1963年,Henry Beachell首先成功实现了杂交水稻技术,科学家们发展了多种不同的杂交水稻技术方案,可分为第一、第二和第三代杂交水稻技术。
 
杂交水稻技术的最初突破,来自大自然的慷慨馈赠。1964年和1965年,袁隆平从“胜利籼”、“矮特号”等水稻中发现了6株雄性不育株,其雄蕊发育不正常,不能产生正常可育的花粉;而其雌蕊发育正常,可以接受花粉完成受精。将这些雄性不育株作为母本经授粉杂交后,杂交种具有生长优势和产量优势。
 
但因不育株不能自交结实,不能繁殖具有不育特性的种子,故不能持续、大批量地开展杂交。要实现水稻杂种优势的大面积推广应用,不仅要有雄性不育株,还必须有一套繁殖不育系的方法。
 
机智的科学家们研究出了巧妙的“三系法”杂交技术,以雄性不育株为母本(为“不育系”)、雄性可育株为父本进行杂交,能使杂交种可育的父本为“恢复系”,使杂交种继续保持花粉不育的父本为“保持系”。即用恢复系与不育系杂交制备大面积生产用的杂交种子,用保持系与不育系杂交制备不育系种子。
 
“三系法”杂交技术最先在玉米中应用。袁隆平团队根据“三系法”杂交技术原理开展了杂交水稻技术的艰苦卓绝的攻关,1970年,袁隆平的学生及助手——李必湖在海南野生稻中发现一雄性败育株,通过与栽培水稻杂交和多代回交,育成了以海南野生稻为细胞质、栽培水稻为细胞核的雄性不育株,并把这类不育系称之为“野败不育系”,随后制备了该不育系的可育水稻作为保持系,并筛选出了相应的恢复系。自1973年后,杂交水稻在中国大面积推广应用,为提高粮食产量作出了巨大贡献。
 
理解三系法育种技术后,便会很容易理解两系法育种技术。在三系法育种中,不育系、恢复系和保持系三者的组成设计虽然很巧妙,但是多了一步不育系与保持系杂交的环节,给杂交制种工作带来了操作上的麻烦,使育种周期加长。那么,有没有办法仅让不育系和恢复系杂交(“一妻一夫”),既能产生性状优良的杂交种,又能避免不育系绝种呢?
 
此时,大自然又为人类献上了一份大礼。
 
1973年,杂交水稻专家石明松,在种植的粳稻农垦58试验田中发现了一株雄性不育株,但在随后按“三系法”杂交水稻的育种技术寻找保持系却未获成功。1979年,通过分期播种实验发现,该不育系在9月3日以前的长日高温季节抽穗为雄性不育,在之后的短日低温季节抽穗其花粉可育,可自交结实,这种对光照长短和温度高低敏感的不育系称为“光温敏雄性不育系”。
 
1981年,石明松提出了两用不育系概念,开启了我国两系法杂交水稻育种技术的新纪元[2]。两用不育系就是将光温敏雄性不育系一系两用:因为它在夏季高温长日照条件下表现为雄性不育,所以可以作为母本(即作为不育系)与优良性状的父本杂交获得生产上使用的杂交种;而在秋季低温短日照条件下它却是可育的,可以自交繁殖种子,从而保持了其光温敏不育的特性(即用作保持系)。
 
这种方法利用大自然环境的变化来控制不育系雄性不育和可育的转换,成功使得不育系兼具不育系和保持系的功能,由于该技术只需要不育系和恢复系两个系而不需要额外的保持系,所以称为“两系法”杂交育种技术。
 
与三系法中不育系不同,两系法中不育系的光温敏不育特性是由细胞核内基因导致的,与细胞质无关[2]。而三系法中则是细胞质和细胞核基因共同作用导致不育。 
 
不论第一代的基于核质互作不育的三系育种法,还是第二代的基于光温敏核不育的两系法育种,所利用的不育系都是大自然的馈赠。虽然两系法育种简化了三系法的程序,但是两系法的实现由于对光照和温度环境条件有严格的要求,所以有时也得靠天吃饭,技术的稳定性不高。那么,如何才能在两系法的基础上再进一步发展,创造出稳定可控、更有优势的不育系呢?
 
科学家们又在如何给水稻做“变性手术”上更进了一步。
 
2010年后,我们团队在新一代杂交水稻育种技术上逐渐取得了突破,开发出了一种被称为“智能不育杂交育种技术”的第三代杂交水稻技术[3]。智能不育杂交育种技术的核心思路与光温敏不育的两系法类似,即让一个不育系在需要产生杂交后代时表现出雄性不育,而在其需要自交繁种时又可表现为雄性可育。这又是怎样实现的呢?
 
首先对水稻进行了大规模的化学诱变,然后对诱变后的材料进行筛选,获得了完全不能形成花粉的雄性不育突变株,再利用基因克隆技术找到了控制该雄性器官发育的基因,称之为“OsNP1”。
 
接下来,通过将OsNP1基因与来自于玉米的α-淀粉酶基因、以及一种来自珊瑚的红色荧光蛋白基因串联起来,再将它们一起导入了先前获得的水稻雄性不育植株中。在所获得的转基因株系中,OsNP1基因用于恢复雄性可育性,淀粉酶基因通过对淀粉的降解作用而使花粉失去活性,而红色荧光蛋白可以作为标记来筛选种子。
 
将这个转基因株系进行自交,所得到的后代将遵循孟德尔遗传规律,会产生一半的非转基因雄性不育种子(可作为不育系用于制备杂交种),和一半的转基因雄性可育种子(这些可育种子自交后还会继续产生一半的不育种子,因而可作为保持系),两者可以通过红色荧光进行筛分。通过保持系给不育系授粉杂交,可以在不育系上结实,由此繁殖不育系;而保持系通过自交可以源源不断地得以繁殖。
 
该设计能够大批量生产非转基因的、性状稳定的不育系,用于大面积制备杂交种子[4]。由于这类不育系的花粉不育性完全受核基因控制,不受光照和温度环境因子影响,故易于实现安全、高产制种,降低杂交水稻制种成本,提高农民种田效益。
 
问:为什么小麦比水稻技术起步晚?
答:和杂交水稻相比,杂交小麦难度要大得多。小麦的技术难点在于它的基因组特别大,小麦基因组有17GB。人和水稻基因是两倍体,小麦是六倍体,好多基因有重复序列,分析起来要复杂得多,很容易感觉碰壁。
 
杂交小麦的意义比杂交水稻更大,一是,可以全球应用;二是,因为现在还没有规模化的杂交小麦技术。
 
我们对第三代水稻杂交技术的研究从2008年开始,去年完成,也申请了专利。
 
国外由三国科学家联合并由杜邦资助的团队比我们开始得要早。我们当时说服科技部和农业部给予我们支持,2008年科技部支持了我们对第三代水稻杂交技术的研究[3]。2009年我们申请到了农业部转基因专项的基金支持小麦研究[1],支持五年。2014年经费用完了,我们还是东拼西凑,一直把项目坚持做下来了,直到去年才取得突破。
 
我们目前是完成了三个基因元件的构造,一个是控制种子颜色的基因,一个是使花粉失活的基因,还有一个最重要的是控制小麦育性的基因,这个基因最难找,很长时间内一直都没有找到,直到去年初我们才把突变基因找到并克隆出来。我们研究的重要意义在于把可以作为第三代杂交育种技术的雄性不育基因Ms1给克隆出来了。最关键的元件已经备齐了,目前我们已经申请了专利。有了这个基因,第三代杂交小麦就没有什么悬念了,就是时间问题。我们预计2020年以后这个技术可以真正地应用到实践中。
 
参考文献:
[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. 晚粳自然两用系选育及应用初报. 湖北农业科学. 1981, 7:1-3.
[3]邓兴旺, 王海洋, 唐晓艳, 周君莉, 陈浩东, 何光明, 陈良碧, 许智宏. 杂交水稻育种将迎来新时代.中国科学. 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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