利用基因编辑恢复矮败小麦的育性

　　利用不育系材料进行育种是小麦、水稻等自花授粉作物育种的重要方法。但在育种中，一些不育系材料会表现出综合的、优良的特性。如何从这些材料中直接选择新品种，让它们发挥更大的作用？

　　近日，中国农业科学院作物科学研究所利用CRISPR技术对小麦Ms2基因进行了编辑，彻底恢复了矮败小麦的育性，为从优良矮败小麦群体和太谷核不育小麦群体选育小麦新品种奠定了基础。

　　利用不育系材料进行育种是一种常见且重要的方法。自花授粉作物杂交育种为什么要选择不育系材料？中国农业科学院作物研究所研究员叶兴国说，所谓不育系，是指雌蕊发育正常，但雄蕊发育异常或花粉败育的植物材料，不能自行授粉结实，必须接受其他可育材料的花粉才能产生种子和繁殖后代。

　　与普通育性材料的选育和利用相比，不育系有其独特的优势。叶兴国解释说，“不育系主要有三种用途，一是与恢复系杂交配制杂交种，更好地利用杂种优势；二是对外来花粉开放，进行轮回选择育种，通过自交从后代中选择优良品种；三是杂交育种不需要人为阉割母本来提高工作效率。”

　　不育系的发现和利用极大地推动了杂交育种和杂种优势利用育种的进程。特别是在水稻育种中，其杂种优势明显，发挥了巨大作用。袁隆平在上个世纪育成了三系杂交水稻，使常规水稻增产20%。它始于一种不育系水稻材料的发现。

　　除了小麦、水稻、大豆等自花授粉作物外，不育系也广泛应用于玉米育种等异花授粉作物。叶兴国介绍，“主要原因是省略了人工阉割。如果没有不育系，制种需要人工去雄。这个过程非常繁琐，同时不能保证完全去雄，往往影响杂交制种的效果”。

　　中国特有种质资源——矮秆小麦

　　在小麦育种中，不育系材料主要用于常规杂交育种。叶兴国解释说，“不育系可以省去去雄过程，像异花授粉作物一样开放接受其他品种的花粉，进行轮回选择，扩大变异和选择的范围。”

　　太谷核不育小麦和矮败小麦是我国特有的种质资源，广泛应用于小麦育种。其中，太谷核不育小麦是上世纪70年代科学家在田间偶然发现的，而矮败小麦则是一系列具有短茎和自身雄性不育(不含花药)的不同遗传背景的小麦材料。

　　几十年来，中国科学家利用矮败小麦和太谷核不育小麦进行轮回选择育种，培育了许多优良小麦品种。但在育种过程中，科学家发现，下一代植株有一半与高秆小麦杂交后仍是矮秆小麦，矮秆、不育，需要持续授粉；另一半植株的繁殖力恢复了，说明它们又高又能育。叶兴国解释说：“如果在一半的可育植株中发现一个性状优良的个体，就可以培育成一个新的优良品种。因为是可育的，所以可以直接作为种子使用。问题是，如果其中一株不育植物被发现具有优良性状，该怎么办？正常情况下，仍是不育材料，不能作为新品种培育。

 

　　新技术，把不孕变成生育

　　从20世纪80年代中期到90年代末，科学家们在太谷核不育小麦中定位了不育基因，并通过细胞遗传学和回交育种技术创造了标记太谷核不育植株的矮败小麦。“前人研究发现其不育性受位于小麦4DS染色体上的显性基因Ms2控制，2017年克隆了Ms2基因。因此，根据上述工作，研究小组利用基因编辑技术和遗传转化技术对Ms2基因进行了修饰。结果表明，携带Ms2基因优良矮败小麦、太谷核不育小麦、小黑麦和硬粒小麦可完全恢复育性。

　　这意味着，如果矮败小麦与其他高秆小麦杂交时，在后代的不育半部出现了性状优良的不育群，我们也可以通过遗传操纵技术，将不育性变为育性，然后直接从中培育出优良品种。据报道，该研究得到了国家重点研发计划和中国农业科学院科技创新项目的资助，相关研究成果在《植物生物技术杂志》上在线发布。