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雜交育種可一步成功 中國科學家研發突破性育種技術

2020-07-22 09:29:20 新京報  周懷宗

  用傳統的育種方法,選育一個新的核不育雜交種需要6—8年,F在,這個時間被科學家們縮短到了1—2年。

  近日,《分子植物》在線發表了中國農業科學院作物科學研究所“作物分子育種技術和應用創新團隊”和“玉米遺傳改良與新品種選育創新團隊”的最新研究成果。該研究利用基因編輯研發出“一步法”創制核不育系及其保持系的技術,為第三代作物雜交育種技術提供了高效的技術方案。


  研發團隊。中國農科院供圖

  歷史:從依靠運氣到精準設計

  人類栽培農作物的歷史有8000到1萬年。在人類農業肇始之時,選擇哪些種子加以栽培和馴化,有古人的智慧,但更多依靠運氣!耙徊椒ā闭n題組成員、中國農科院作物科學研究所研究員謝傳曉介紹,“人類最初選育作物品種的方法,可以稱之為優選法,即在長勢良好的植株上選擇品相最好的種子留種,然后馴化與選擇,使得它更符合人類的需求。時間是檢驗古人工作的‘試金石’,經過8000年的積累,把野生物種馴化與選擇成農作物,支撐了人類文明的生存與繁衍!

  人類農耕史上絕大部分的時間里,都是依靠這種方法“優選”作物。一直到1865年前后,經典遺傳學說建立,人類才真正開始認識與掌握性狀遺傳的規律。謝傳曉介紹,“經典遺傳學說建立后,科學家們開始根據遺傳學的規律來設計育種模式。例如,根據顯性和隱形基因的遺傳規律,科學家們選擇雜交的親本、預測品種的表現,并設計雜交育種的過程等!

  1900年前后,隨著物理、化學等基礎學科的發展,育種方式也迎來了新變化,謝傳曉說,“那時候,科學家們利用物理射線、化學試劑等作為誘變劑,誘發物種的基因突變,從中選擇好的突變個體加以培育,再加上后來發現的生物學誘變劑,這種方式就是一起合稱為誘變育種”。

  當代:雜交選育改變育種模式

  以袁隆平為代表的科學家們,成功實現雜交水稻技術的突破,使得作物育種進入了一個新的時代。謝傳曉介紹,“水稻是自交授粉的作物,雌雄同花,一般在開花之時都是自花授粉,不能雜交。但是,因為有不育系,才使得雜交成為可能!彪s交水稻技術的突破在于,它使用不育系水稻來組配雜交種,使自交物種的水稻實現可控雜交,從而實現了水稻的雜種優勢利用。

  不育系雜交打開了育種的新世界。至今為止,大部分雜交作物都在使用這一技術。同時,在過去數十年中,這一技術也在不斷更新。謝傳曉說,“大概經歷了三代,第一代使用的是三系雜交技術,即不育系、保持系、恢復系,不育系是雜交種的母本,用保持系來繁殖不育系,用恢復系即父本來恢復雜交種的育性。這一技術對農業發展的貢獻極大,曾創造過許多單品種推廣數億畝的奇跡。但這一方法也有缺點,配套復雜,操作要求高,育種時間長等。所以,后來出現了第二代技術,即“兩系法”,用不育系和保持系雜交育種,使保持系兼具恢復系的功能。目前水稻雜交,主要還是這種技術。這種技術是利用核基因對環境的敏感性來繁殖不育系、保持系與雜交種制種,方法簡單,沒有上一代恢保關系限制的重要缺陷,但同時這種敏感性也使得育性不穩定,對天氣與氣候有依賴性,難以控制,有些靠天吃飯的意思。如果老天不配合,容易引起農業生產事故!


  創制的保持系與不育系開花期農藝性狀(A)及其結實籽粒發光特征(B,C和D)。中國農科院供圖

  第三代雜交技術改進了第二代技術的缺點。謝傳曉說,“利用一個穩定的核不育基因,再用生物技術建造一個保持系基因,這種方式更加穩定可控,但同時也需要很長時間來培育,即育種周期仍舊過長,一個新品種的育成,往往需要6-8年”。

  未來:基因編輯實現育種突破

  此次中國農科院作科所做出的突破,是把第三代技術的兩步操作流程,合并為一步。謝傳曉說,“我們利用基因編輯技術對玉米育性基因的功能結構域進行了定點定向刪除,從而創制了核不育系,并利用基因編輯技術精確性使之與保持系技術兼容,從而創制出操控型核不育保持系。新技術本質上還是第三代技術。通過基因編輯技術的精巧性,極大地縮短了培育時間。用這種方法,一到兩年即可獲得一個第三代雜交種新品種”。

  那么,未來的育種技術又會是怎樣的呢?謝傳曉介紹,“隨著基因編輯技術的發展,我們已經可以在物種本身的基因上進行編輯,去蕪存菁,在基因層面設計和控制育種的過程,從而用更快的時間獲得我們想要的品種。在未來,科學家們甚至可以自己設計基因,比如設計一個我們想要的基因組,然后把它加入到物種原有的基因序列中,這樣就能更加精準且快速地育成更好的品種”。

(責任編輯:趙伊 )
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