小籽粒撬動大產業：新研究可實現全機械化雜交水稻育種_風聞
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撰文 | 黃科、李雲海
6月3日，Nature Plants雜誌在線發表了中國科研團隊一篇題為“Modulation of histone acetylation enables fully mechanized hybrid rice breeding”（調節組蛋白乙酰化可實現全機械化雜交水稻育種）的論文。有相應評論認為，“這一成果將徹底改變雜交水稻制種產業的遊戲規則”。
作為這篇論文的共同第一作者和通訊作者，筆者很願意將做出這一成果的大背景、過程及其意義跟大家一起分享。
雜交育種迄今還是勞動密集型產業
雜種優勢 (heterosis, hybrid vigor) 是指雜合體在一種或多種性狀上優於兩個親本的現象。例如不同品系、不同品種、甚至不同種屬間進行雜交所得到的雜種一代往往比它的雙親表現出更強大的生長速率和代謝功能，從而導致產量或生物量的提高，或者增強了對生物脅迫和非生物脅迫的適應性和抗性。這是生物界普遍存在的現象。
雜種優勢的利用依賴於雜交種子的規模化生產，而水稻屬於雌雄同株、自花授粉的作物。1966年，袁隆平發表了一篇論文《水稻的雄性不育系》，正式提出了通過培育水稻“三系”，即雄性不育系、保持系和恢復系，以“三系配套”的方法來利用水稻雜種優勢，規模化生產雜交水稻種子。其主要設計思路是以細胞質基因突變導致雄性不育的植株為母本（雄性不育系），以細胞核基因與雄性不育系完全相同但細胞質基因不同的可育植株（保持系）為父本進行雜交，實現雄性不育系種子的繁殖；再以能夠恢復F1植株花粉育性的可育植株為父本（恢復系）與雄性不育系進行雜交，生產具有雜種優勢的雜交種子。
1973年，在以袁隆平為代表的廣大水稻育種工作者的共同協作下，中國秈型雜交水稻“三系”配套成功，並於1976年開始商業化。1981年，石明松提出了“兩用不育系”的概念，即在特定的光温條件下表現出完全的雄性不育，可以作為母本與恢復系進行雜交，生產雜交種子，而在其它光温條件下表現為可育，能夠實現自身繁殖。“兩系法”省去了“三系法”中的保持系，簡化了雜交水稻育種流程和種子生產程序，在雜交水稻育種中具有明顯優勢。1995年，兩系法雜交水稻品種開始在中國大面積推廣應用。雜交水稻的推廣使中國水稻的單位面積產量提高了20%-30%，極大保障了糧食安全。
雜交水稻在中國的大規模應用已近50年，雜交水稻品種也在不斷迭代，以實現更高的產量，更好的品質。然而，無論是“三系法”還是“兩系法”，雜交水稻的大規模種植依賴於雜交種子的規模化生產，然而雜交種子的生產過程（制種）卻極為繁瑣，耗時耗力，屬於勞動密集型產業。
傳統雜交水稻制種過程主要包含：父本（恢復系）和母本（不育系）的間隔種植，通常是1-2行父本對應6-10行母本以提供足夠的花粉；在父本和母本開花時進行人工趕粉以提高母本的結實率；在母本授粉完成後及時人工去除田間的父本，防止恢復系種子污染雜交種子；待母本成熟後收穫雜交種子。
因此，傳統的雜交稻制種過程屬於精耕細作，高度依賴人工。在過去近50年裏，雜交種子的生產一直遵循着這種模式，鮮有重大突破。然而，隨着人力成本的不斷攀升，雜交水稻的制種成本也不斷增加，因此也加重了農民的用種成本，降低了雜交水稻種植的經濟效益。同時，隨着經濟的發展和人口老齡化的到來，能夠從事水稻制種行業的適齡產業工人越來越少。因此，亟需開發一種適用於雜交稻機械化的制種方法，以實現雜交水稻制種的產業升級。
尋找理想的調控籽粒大小基因
最近幾十年裏，水稻育種工作者們提出了多個機械化制種的策略，包括：(1)利用雄性不育系和恢復系之間穎殼顏色的差異，通過特定的光電色選設備將雜交種子從混合種子中分離出來；(2)將除草劑敏感的基因導入恢復系，或者在雄性不育系中導入除草劑抗性基因，在授粉完成後通過噴灑除草劑去除田間的恢復系； (3)利用雌性不育的恢復系，為雄性不育系授粉生產雜交種子，而雌性不育恢復系不會自交，無需去除恢復系種子。
這些方法都存在一定的技術缺陷，或者由於缺少優質的基因資源以至於相關品種的培育週期過長，因此尚未大規模應用。
此外，混合種植不育系和恢復系，利用不育系和恢復系種子大小的差異，通過篩子進行機械分選雜交種子和恢復系種子，是一個非常有前景的簡單方法。目前已經在做的是，通過傳統育種方式培育小粒不育系，並結合大粒恢復系進行機械分選水稻雜交種子。不過這種方法迄今僅有少量嘗試，並沒有大規模應用到雜交稻制種中。傳統的育種方式也難以實現對現有品種的快速改良以適應雜交稻的機械化制種。
利用籽粒大小調控基因進行機械化雜交制種的困難和核心是尋找到理想的籽粒大小調控基因，培育理想的小粒不育系。理想籽粒大小基因功能缺失突變應該明顯降低籽粒大小（尤其是粒厚）；該基因隱性突變導致小粒，通過母本影響籽粒大小；不影響株高、穗型、開花時間等重要農藝性狀。同時小粒不育系對F1雜交種數目、雜交水稻產量不能有負面影響。到目前為止，儘管已經發現許多基因的功能缺失會導致水稻籽粒變小，但同時也會對其它農藝性狀帶來負面影響。因此，急需尋找理想籽粒大小調控基因，培育適合於機械化制種的小粒不育系。
實現雜交水稻制種的產業升級
為了尋找理想籽粒大小調控基因從而快速培育/改良適用於機械化制種的雜交水稻新品種，我們和中國水稻研究所朱旭東和王躍星團隊、浙江理工大學汪得凱團隊以及海南大學羅越華團隊合作，通過兩種策略培育理想的小粒不育系/保持系，挖掘理想的小粒基因。一是以小粒水稻品種為供體親本，通過傳統育種方式選育理想的小粒不育系/保持系，並進一步克隆潛在的理想小粒基因；二是通過遺傳誘變篩選，尋找理想的小粒突變體，克隆理想的小粒基因，再通過分子設計育種培育理想的小粒不育系。這兩種方式都猶如大海撈針，難度極大。
我們首先通過傳統育種方式對天優華佔的親本進行了改良，培育理想的不育系/保持系以適應機械化制種的需求。天優華佔屬於秈型三系高產優質雜交秈稻品種，已累計推廣種植超過3000萬畝，其不育系、保持系和恢復系分別是天豐A、天豐B和華佔。我們選擇了一系列的小粒材料作為供體親本與天豐B（三系雜交稻天優華佔的保持系）進行雜交，最終只有通過小粒水稻品種XLG與天豐B雜交成功，培育了理想小粒保持系小巧B（XQB）和對應的理想小粒不育系小巧A（XQA），小巧A和小巧B植株的穗粒數和分櫱數也顯著增加。
同時我們將大粒水稻品種Kuangsijiadi與華佔進行雜交，培育了新的大粒恢復系大粒華佔（DHZ），田間試驗表明，小巧A和大粒恢復系能夠實現雜交水稻的機械化制種，由於小巧A的穗粒數和分櫱數的增加，使得單位制種面積的雜交種子粒數提高了20%左右。田間實驗表明，小巧A和大粒華佔組合產生的雜交水稻的產量與對照組相比沒有顯著差異。
為了尋找小巧A和小巧B中的理想小粒基因，我們將小巧B與ZH11（一個具有完整基因組信息和高遺傳轉化效率的粳稻品種）進行雜交，在3號染色體上定位到了一個影響種子大小的主效位點GSE3，並最終通過QTL Mapping和MutMap方法鑑定到了GSE3基因。GSE3編碼了一個GCN5相關的N-乙酰轉移酶，能夠影響組蛋白乙酰化水平。在小巧A、小巧B以及XLG品種中，GSE3基因第三個外顯子中存在10bp序列的缺失，導致GSE3蛋白功能喪失。
與此同時，我們也進行了十幾年的大規模誘變篩選，尋找理想的小粒突變體以培育理想的小粒不育系/保持系。我們篩選到了數百個籽粒變小的突變體，但絕大部分籽粒變小的突變體在一些關鍵農藝性狀上存在缺陷，如植株矮小、穗子變小、分櫱數和穗粒數下降、葉子變小等。幸運的是我們從中鑑定到了一個籽粒明顯變小，穗粒數和分櫱數增加的突變體m238。等位性測試表明，m238是GSE3的一個新等位基因。GSE3的功能缺失導致植株籽粒明顯變小，分櫱及穗粒數顯著增加，而其它農藝性狀沒有明顯差異。生化實驗和遺傳學實驗表明GSE3能夠被轉錄因子GS2招募到共同調控的籽粒大小基因的啓動子上，通過影響啓動子區域的組蛋白乙酰化狀態調控籽粒大小。
GSE3功能缺失導致植株的穗粒數以及分櫱數增加，是GSE3突變能夠提高雜交種子數目的關鍵。然而，GSE3似乎並不通過GS2調控穗粒數以及分櫱數，GSE3如何調控穗粒數和分櫱數的分子作用機制還有待進一步的探索，這將有助於我們更深刻地理解水稻如何協同調控籽粒大小、穗粒數和分櫱數，從而為打破這種平衡實現水稻高產提供新的解決方案。
通過基因編輯天優華佔的不育系天豐A（TFA）和保持系天豐B（TFB）的GSE3基因，我們創制了相應的理想小粒不育系TFAgse3-cri3和TFBgse3-cri3。田間實驗表明，TFAgse3-cri3和大粒恢復系（大粒華佔，DHZ）組合同樣能夠實現雜交水稻的機械化制種，單位面積的雜交種子數量提高了21.2%，並且不影響雜交水稻的產量。超級雜交稻Y兩優900（YLY900）屬於秈型兩系雜交水稻品種，每公頃產量超過15噸，其不育系和恢復系分別是Y58S和R900。我們通過基因編輯Y兩優900的不育系Y58S，創制了理想小粒不育系Y58Sgse3-cri4，在不改良恢復系R900的情況下，Y58Sgse3-cri4和恢復系R900組合同樣能夠實現雜交水稻的機械化制種，單位制種面積的雜交種子數量提高了38.3%，在實現機械化制種的同時也極大地提高了制種效率，並且不影響雜交水稻的產量。
接下來我們會挑選30-50個當前生產應用較廣的雜交水稻組合進行實際的農業生產測試，通過基因編輯技術進行快速改良。在恢復系和雄性不育系之間的粒厚差異相對較大時，通過基因編輯雄性不育系中的GSE3基因以實現雜交水稻的機械化制種。在恢復系和雄性不育系之間的粒厚差異相對較小時，我們可以通過編輯雄性不育系中的GSE3基因和恢復系中的GS2基因或其它大粒基因，來實現雜交水稻的機械化制種。
在我們目前已有的測試中，GSE3基因的應用在實現機械化制種的同時，能夠提高單位面積制種數目達20%-38%，意味着如果全面推廣應用，則每年可節約幾十萬畝的制種用地。由於雜交種子的籽粒大小和粒重降低，因此更小體積和重量的雜交種子即可以滿足當前的市場需求，雜交種子的運輸及儲存成本也就相應降低，從而帶來更高的經濟效益，實現雜交水稻制種的產業升級，更有利於雜交水稻的全球推廣。
a，GSE3-GS2模塊調控籽粒大小，GSE3正調控籽粒大小，GSE3能夠被轉錄因子GS2招募到共同調控的籽粒大小基因的啓動子上，通過影響啓動子區域的組蛋白乙酰化狀態調控籽粒大小。b，基因編輯不育系中的GSE3基因或者同時基因編輯恢復系中的GS2基因或者其它大粒基因能夠快速實現雜交水稻的機械化制種。
本文作者黃科，目前在中國科學院遺傳與發育生物學研究所做博士後；李雲海，為中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員。
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