我科學家用基因編輯徹底恢復矮敗小麥育性_風聞

**要點：**矮敗小麥是我國特有的種質資源，在小麥育種中應用極為廣泛。矮敗小麥在與高杆小麥雜交後，下一代中有一半的植株仍然是矮敗小麥，表現為矮稈、不育，需要持續授粉。利用基因編輯技術和遺傳轉化技術，針對性地修飾Ms2基因。可以徹底恢復優良矮敗小麥、太谷核不育小麥，以及攜帶Ms2基因小黑麥和硬粒小麥等不育材料的育性，將不育變為可育，進而直接從中培育優良品種

近日，中國農科院作物科學研究所利用CRISPR技術編輯小麥Ms2基因，徹底恢復了矮敗小麥育性，為從優良矮敗小麥羣體和太谷核不育小麥羣體中培育小麥新品種奠定了基礎。相關研究成果在線發表在《植物生物技術雜誌（Plant Biotechnology Journal）》上。

據瞭解，不育系是選育小麥新品種和利用小麥雜種優勢的重要材料。太谷核不育小麥和矮敗小麥是我國特有的種質資源，其不育性由位於小麥4DS染色體上的顯性基因Ms2控制，雜交後代中分離出50%可育株和50%不育株。利用矮敗小麥和太谷核不育小麥進行輪迴選擇育種，已經培育了多個優良小麥品種。但是，小麥新品種只能從輪迴選擇羣體衍生的優良可育材料中選擇，優良不育材料由於育性分離不能直接用於育種選擇。

研究團隊根據Ms2基因序列設計了編輯靶點，構建了由TaU3啓動子調控的表達載體，以矮敗濟麥22與濟麥22授粉後的雜種幼胚作為受體材料，利用農桿菌介導的小麥CRISPR/Cas9體系編輯Ms2基因，獲得了候選編輯植株。進一步對錶現矮稈的候選編輯植株進行PCR/RE檢測和測序分析後，篩選到編輯植株，編輯效率9.0%。分子檢測、細胞學和表型觀察發現，表現矮稈的編輯植株攜帶Rht10基因，小花中含有完整花葯，花粉粒具有正常活性，正常結實。T1代編輯羣體中，75%的植株表現為矮稈、可育，另外25%的植株由於Rht10基因的分離表現為高稈、可育。

研究結果表明，利用基因編輯技術和染色體消除技術可以徹底恢復優良矮敗小麥、太谷核不育小麥，以及攜帶Ms2基因小黑麥和硬粒小麥等不育材料的育性，培育具有優良農藝性狀、品質性狀和生物及非生物抗性的麥類作物新品種。

來源：中國農業科學院作物科學研究所

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新京報訊（記者 周懷宗）利用不育系材料育種，是小麥、水稻等自花授粉作物育種中重要的方法。但在育種中，一些不育系材料會表現出綜合優良的特性，如何從這些材料中直接選育新品種，讓它們發揮更大的作用？

近日，中國農業科學院作物科學研究所利用CRISPR技術，編輯小麥Ms2基因，徹底恢復了矮敗小麥育性，為從優良矮敗小麥羣體和太谷核不育小麥羣體中培育小麥新品種奠定了基礎。

利用不育系材料育種是常見且重要的方法， 在自花授粉作物的雜交育種中為何選擇不育系材料？中國農科院作物所研究員葉興國介紹，所謂不育系，是指雌蕊發育正常，但雄蕊發育異常或花粉敗育的植物材料，所以不能自己授粉結實，必須接受其它可育材料的花粉才能產生種子和繁殖後代。

相對於正常育性材料的育種利用，不育繫有自身特殊的優勢，葉興國解釋稱，“不育繫有3個主要用途，其一是與恢復系雜交來配製雜交種，更好地利用雜種優勢；其二是開放接受外來花粉，進行輪迴選擇育種，從後代中通過自交選擇優良品種；其三是在雜交育種中不用給母本人工去雄，提高工作效率。”

不育系的發現和利用，極大地推進了雜交育種和雜種優勢利用育種的進程，尤其在水稻育種中，其雜種優勢表現明顯，發揮了巨大的作用，上世紀，袁隆平育成三系雜交稻，使常規稻產量提高20%，最初就是從發現一株不育系水稻材料開始的。

除了自花授粉的小麥、水稻、大豆等作物，在異花授粉作物如玉米育種中，不育系也被廣泛利用，葉興國介紹，“主要是省去了人工去雄的工作，如果沒有不育系，制種時就需要用人工去雄，這一工序非常繁瑣，同時也不能保證徹底去雄，時常會影響雜交種制種的效果”。

工作人員在麥田中選出矮杆、不育的矮敗小麥，進行人工授粉。中國農科院供圖

矮敗小麥，我國特有種質資源

在小麥育種中，不育系材料主要用於常規雜交育種中，葉興國解釋，“不育系可以省去去雄工序，像異花授粉作物那樣開放接受其它品種的花粉，進行輪迴選擇，擴大了變異範圍和選擇範圍。”

太谷核不育小麥和矮敗小麥是我國特有的種質資源，在小麥育種中應用極為廣泛。其中，太谷核不育小麥是上世紀七十年代科學家偶然在田間發現的，而矮敗小麥則是一系列不同遺傳背景的矮杆、自身雄性不育（沒有花葯）的小麥材料。

過去數十年中，我國科學家利用矮敗小麥和太谷核不育小麥進行輪迴選擇育種，已經培育了多個優良小麥品種。

但在育種過程中，科學家們發現，矮敗小麥在與高杆小麥雜交後，下一代中有一半的植株仍然是矮敗小麥，表現為矮稈、不育，需要持續授粉；另外一半的植株育性恢復，表現為高杆、可育。葉興國解釋稱，“可育的一半植株中，如果發現性狀優良的個體，就可以選育為優良新品種。因為它是可育的，所以可以直接作為種子。問題在於，如果在不育的一半植株中，發現了性狀優良的，怎麼辦？正常情況下，它仍然是不育材料，不能培育為新品種”。

右側為分離出的可育植株，給左側的矮敗小麥授粉以後，其雜交後代中總是分離出一半的矮敗小麥（左，不能用於育種選擇）和高杆可育小麥（右，可以用於育種選擇）。中國農科院供圖

新型技術，把不育變成可育

八十年代中期至九十年代末期，科學家們通過細胞遺傳學技術和回交育種技術，定位了控制太谷核不育小麥中的不育基因，創制了標記太谷核不育植株的矮敗小麥。

葉興國介紹，“前人研究發現，其不育性由位於小麥4DS染色體上的顯性基因Ms2控制，並於2017年克隆了Ms2基因。因此，研究團隊根據上述工作，利用基因編輯技術和遺傳轉化技術，針對性地修飾Ms2基因。研究結果表明，確實可以徹底恢復優良矮敗小麥、太谷核不育小麥，以及攜帶Ms2基因小黑麥和硬粒小麥等不育材料的育性”。

這意味着，矮敗小麥和其他高杆小麥雜交，後代中不育的那一半中，如果出現了性狀優良的不育羣體，我們也可以通過遺傳操作技術，將不育變為可育，進而直接從中培育優良品種。

據介紹，該研究得到國家重點研發計劃和中國農科院科技創新工程等項目資助，相關研究成果在線發表在《植物生物技術雜誌》上。