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(xiàn)出綜合優(yōu)良的特性，如何從這些材料中直接選育新品種，讓它們發(fā)揮更大的作用？
近日，中國農(nóng)業(yè)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(yōu)良矮敗小麥群體和太谷核不育小麥群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(nóng)科院作物所研究員葉興國介紹，所謂不育系，是指雌蕊發(fā)育正常，但雄蕊發(fā)育異?；蚧ǚ蹟∮闹参锊牧希圆荒茏约菏诜劢Y實，必須接受其它可育材料的花粉才能產(chǎn)生種子和繁殖后代。
工作人員在麥田中選出矮桿、不育的矮敗小麥，進行人工授粉。中國農(nóng)科院供圖
相對于正常育性材料的育種利用，不育系有自身特殊的優(yōu)勢，葉興國解釋稱，“不育系有3個主要用途，其一是與恢復系雜交來配制雜交種，更好地利用雜種優(yōu)勢；其二是開放接受外來花粉，進行輪回選擇育種，從后代中通過自交選擇優(yōu)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(fā)現(xiàn)和利用，極大地推進了雜交育種和雜種優(yōu)勢利用育種的進程，尤其在水稻育種中，其雜種優(yōu)勢表現(xiàn)明顯，發(fā)揮了巨大的作用，上世紀，袁隆平育成三系雜交稻，使常規(guī)稻產(chǎn)量提高20%，最初就是從發(fā)現(xiàn)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”。
矮敗小麥，我國特有種質(zhì)資源
在小麥育種中，不育系材料主要用于常規(guī)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，進行輪回選擇，擴大了變異范圍和選擇范圍。”
太谷核不育小麥和矮敗小麥是我國特有的種質(zhì)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(fā)現(xiàn)的，而矮敗小麥則是一系列不同遺傳背景的矮桿、自身雄性不育（沒有花藥）的小麥材料。
過去數(shù)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回選擇育種，已經(jīng)培育了多個優(yōu)良小麥品種。
但在育種過程中，科學家們發(fā)現(xiàn)，矮敗小麥在與高桿小麥雜交后，下一代中有一半的植株仍然是矮敗小麥，表現(xiàn)為矮稈、不育，需要持續(xù)授粉；另外一半的植株育性恢復，表現(xiàn)為高桿、可育。葉興國解釋稱，“可育的一半植株中，如果發(fā)現(xiàn)性狀優(yōu)良的個體，就可以選育為優(yōu)良新品種。因為它是可育的，所以可以直接作為種子。問題在于，如果在不育的一半植株中，發(fā)現(xiàn)了性狀優(yōu)良的，怎么辦？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后，其雜交后代中總是分離出一半的矮敗小麥（左，不能用于育種選擇）和高桿可育小麥（右，可以用于育種選擇）。中國農(nóng)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(chuàng)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(fā)現(xiàn)，其不育性由位于小麥4DS染色體上的顯性基因Ms2控制，并于2017年克隆了Ms2基因。因此，研究團隊根據(jù)上述工作，利用基因編輯技術和遺傳轉(zhuǎn)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(yōu)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”。
這意味著，矮敗小麥和其他高桿小麥雜交，后代中不育的那一半中，如果出現(xiàn)了性狀優(yōu)良的不育群體，我們也可以通過遺傳操作技術，將不育變?yōu)榭捎?，進而直接從中培育優(yōu)良品種。
據(jù)介紹，該研究得到國家重點研發(fā)計劃和中國農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程等項目資助，相關研究成果在線發(fā)表在《植物生物技術雜志》上。
