本文全文轉載自：中國科學生命科學

摘要

作物育性調控不僅直接影響作物的產量, 同時也和作物雜種優勢利用密切相關. 本文總結了作物雄性不育和雜種不育的遺傳基礎和分子調控機制的研究進展, 介紹了細胞質雄性不育及三系雜交育種應用, 光溫敏雄性核不育系的建立及兩系雜交育種應用, 作物智能不育分子設計育種體系的建立及其應用以及作物雜種育性的調控機制及其對遠緣雜交育種的應用. 在此基礎上分析了我國作物育性調控研究和分子設計雜交育種面臨的瓶頸與對策, 並展望了作物育性調控和雜交育種技術未來的發展趨勢和戰略布局.

引言

種子是由雌、雄配子結合受精後的胚珠發育而成的繁殖器官, 是作物繁衍後代的重要方式, 更是決定糧食作物產量的重要因素. 作物育性與種子的形成密切相關, 其調控涉及有性生殖發育的全過程, 包括花器官的發育和雌雄配子形成等一系列生長發育階段. 該過程的任何變異都將或多或少影響作物的育性、產量和後代繁衍.

作物育性的調控由細胞核基因和胞質基因共同決定. 根據造成雄性不育的基因來源, 將作物雄性不育分為細胞質雄性不育(cytoplasmic male sterility, CMS)和細胞核雄性不育(genic male sterility, GMS). 作物雄性不育是作物雜種優勢利用的遺傳基礎, 在雜交育種中具有重要利用價值. 同時, 作物雜種優勢的利用又受到雜種不育的限制, 是雜交育種需要突破的瓶頸. 因此, 圍繞與重要作物生產應用緊密相關的雄性不育和雜種不育現象, 本文將重點闡述其研究現狀、發展趨勢、研究瓶頸和突破重點.

1 作物育性調控的國內外研究現狀

1.1 細胞質雄性不育及三系雜交育種應用

作物雜種優勢利用最成熟的是三系雜交育種體系, 該體系包括細胞質雄性不育的不育系、保持系和恢復系. 不育系含細胞質雄性不育基因, 但缺乏核恢復基因, 表現為花粉不育、雌性可育、無法自交產生後代, 但可以作為母本接受保持系或恢復系的花粉產生雜交後代. 保持系既不含細胞質雄性不育基因, 也不含核恢復基因, 其花粉表現為可育. 保持系與細胞質雄性不育系的雜種後代能保持雄性不育特性, 從而實現不育系的繁殖; 恢復系與不育系雜交, 用於生產具有雜種優勢的可育雜交種. 利用細胞質雄性不育, 目前已在水稻、玉米、油菜、小麥、大豆等作物中實現三系雜交育種[1]

細胞質雄性不育基因通常是由線粒體基因組發生重排、插入或缺失等結構變異形成的嵌合基因. 目前, 水稻細胞質雄性不育基因的研究較為深入, 生產上可用的野敗型CMS(CMS-WA)、包台型CMS(CMS-BT)和紅蓮型CMS(CMS-HL)三類細胞質雄性不育基因均已被克隆. CMS-WA不育基因編碼一個含352個胺基酸、在小孢子母細胞期的花葯絨氈層中特異積累的跨膜蛋白WA352. 該蛋白與核編碼蛋白COX11互作, 干擾其清除活性氧的功能, 導致花葯絨氈層細胞內活性氧爆發, 引起細胞程序性死亡提前發生而產生花粉雄性不育[2][3][6][3]

玉米CMS主要有CMS-T, CMS-C和CMS-S三種類型[7][10][11][12][13][16]

小麥屬於六倍體(AABBDD)作物, 其基因組龐大且複雜, 因此小麥的CMS/[17][18][19]

油菜是重要的油料作物, 也是蛋白飼料的重要來源. 油菜細胞質雄性不育都是孢子體不育類型, 主要有波里馬胞質雄性不育系(CMS-pol)、[1][20][21]

大豆雜種優勢的利用和相關CMS基因與

1.2 光溫敏雄性核不育及兩系雜交育種應用

調控作物生殖發育過程的核基因, 尤其是涉及雌雄配子發育的減數分裂過程、絨氈層發育和程序性死亡, 以及決定花葯角質層與花粉外壁形成相關的脂肪酸合成和轉運的基因一旦發生突變, 通常都會產生核不育表型. 但這類核不育材料由於缺乏合適的保持系材料, 難以進行純合不育系的繁衍, 無法直接用於生產. 而受環境因素影響的核不育材料, 如光溫敏雄性核不育材料, 由於可以在特定條件下恢復育性, 光溫敏雄性核不育系能同時作為不育系和保持系, 恢復譜廣, 因此具有生產流程簡單、配組自由等優勢. 目前兩系雜交稻在我國20個省市都有種植, 主要推廣區域在長江中下游及華南稻區, 其中安徽和湖北的兩系雜交稻種植面積已超過三系雜交稻[29]

目前關於光溫敏雄性核不育的分子機制研究主要集中在水稻中, 克隆的基因包括光敏不育基因[37][31][30][38][32]

光溫敏不育可歸納為有害蛋白積累和同源基因功能補償兩種機制[39][33][33][36][34]

與水稻相比, 玉米、小麥、油菜和大豆等其他作物中光溫敏雄性核不育基因的克隆和機制研究相對滯後, 多數僅停留在基因初步定位的階段[41]

1.3 作物智能核不育及新型不育系的創製

無論是三系還是兩系雜交作物都受限於不育系的繁殖和穩定性, 這給雜交稻制種帶來風險和困難. 智能核不育系將分子設計和雜交育種相結合, 利用作物中普遍存在的細胞核雄性不育基因, 創建純合的雄性不育系, 並通過在不育系轉入連鎖的育性恢復基因、花粉敗育基因和標記基因創建對應的保持系, 從而解決雜交育種過程中不育系的穩定性和配組廣泛性等問題[47]

以水稻智能核不育分子設計育種體系為例, 隱性細胞核雄性不育基因的突變體[48]

智能核不育分子設計育種體系在玉米中也得到了應用, 如通過在玉米隱性核不育材料

作物智能核不育分子設計育種體系具有不育性穩定、不受環境限制、配組自由等優點, 不僅可提高對作物種質資源的利用範圍, 也保障了雜交種的制種安全和育種創新, 有望應用於不同作物的雜交育種和雜種優勢利用.

1.4 作物雜種不育及遠緣雜種優勢利用

雜種優勢現象在遠緣親本之間, 比如種間或者亞種間的雜種中表現尤為突出. 以水稻為例, 與品種間雜種相比, 秈稻和粳稻亞種間雜種表現出更強的產量雜種優勢和抗逆性. 但是遠緣親本之間的遺傳變異同樣會導致合子後生殖隔離, 從而降低雜種的育性, 這也是遠緣雜交育種應用的最大障礙.

對水稻雜種育性調控機制的認識有三個階段: 早期的認識基於栽培稻和野生稻、不同栽培稻種以及亞洲栽培稻的秈稻和粳稻亞種的系列雜交組合展開, 通過遺傳分析和基因定位在不同水稻群體中鑑定到50個左右調控水稻雜種不育的位點[53][56]

對水稻不同雜種不育位點分子調控機制的研究表明, 雜種育性的下降是由不同種間或亞種間等位基因或非等位基因的複雜互作導致的. 以調控秈粳雜種胚囊育性的[62][63][66]

在充分理解雜種不育位點不同等位基因的功能及其互作模式的基礎上, 可以利用分子標記輔助選擇技術或者基因編輯技術, 培育和不同親本都正常可育的水稻親和品種, 打破遠緣雜交的障礙. 例如, 可以通過分子標記輔助選擇技術通過聚合多個廣親和基因, 培育結實率高親和的育種中間材料[71]

2 作物育性調控研究和分子設計雜交育種的未來發展趨勢

2.1 作物育性調控的基礎研究: 從基因功能走向網絡調控, 從個體發育轉向環境響應

我國已建立了水稻、玉米、油菜、大豆、小麥等多種作物的雜種優勢利用體系, 這依賴於對作物育性調控機制的深入解析和作物雄性不育系的創建與培育. 育性調控是涉及不同發育階段多個基因協同互作的複雜生物學過程. 因此, 推進作物育性調控的基礎理論研究不僅需要對單個育性基因的功能進行研究, 更需要對不同發育空間參與育性調控的所有基因, 以及不同發育時間這些基因涉及的調控網絡的動態變化進行研究, 解析育性調控的複雜網絡和動態變化規律.

作物育性調控的另一特點是對多種環境因子的響應和互作. 水稻、玉米、小麥、穀子、油菜、棉花等不同作物都廣泛存在光敏或者溫敏的雄性核不育種質資源. 未來新型的光溫敏雄性核不育系的建立和兩系雜交作物的應用, 都將依賴於對更多基因資源和品種資源的探索, 以及對相關育性轉換機制的深入研究. 此外, 育性對環境脅迫表現的敏感性極大地影響作物的穩產. 因此, 研究高溫、低溫、逆境等環境因素對作物雄性生殖發育過程的影響, 揭示環境和雄性生殖細胞發育的互作機制也是未來的重要研究方向.

前沿關鍵技術的突破將成為作物育性調控基礎理論研究的創新源泉. 雄配子體是多種細胞類型的集合, 從單細胞層面解析雄配子體不同細胞類型的調控網絡, 有望孕育作物育性調控基礎理論研究的新突破. 此外, 雌配子體發育的遺傳學、細胞學和分子生物學相關領域尚存在很大的空白, 隨著未來前沿技術的突破, 有望對雌配子體發育的調控機制給出新的回答. 轉錄組、蛋白組、代謝組、表觀組等不同水平的組學研究, 結合基因編輯等技術手段, 有望在廣度和深度上助力作物育性調控基因的功能研究.

2.2 分子設計雜交育種和相關產業應用: 利用更廣泛的種質資源、基於不同作物的交互性、開創新的技術體系

隨著水稻、玉米、小麥、大豆、油菜等主要農作物的參考基因組的構建, 野生種和栽培種作物種質資源的搜集和部分種質資源全基因組圖譜繪製的相繼完成, 我國現階段對作物育性調控基因資源的挖掘與應用已經在少數種質資源中實現. 未來的研究應針對作物的不同群體構建系列參考基因組、泛基因組的資料庫和分析平台, 將利用範圍擴大到對更廣泛種質資源優良等位基因的挖掘中, 並進一步拓展到對野生種資源的利用中.

作物育性調控作為發育調控的重要組成, 其調控機制和代謝途徑存在一定的保守性. 因此, 不同作物的分子設計雜交育種體系之間存在著可借鑑性, 應加強不同作物間的信息與資源的交互, 藉助基因的同源性和育性調控途徑的保守性加速作物雜交育種體系的創新和應用.

雜種優勢的固定有望成為分子設計雜交育種的新途徑, 這一技術體系通過基因編輯技術對減數分裂和受精途徑的生殖調控基因進行編輯, 使雜交稻通過無融合生殖實現種子的無性繁殖, 讓雜種優勢可以穩定遺傳到下一代. 對無融合生殖的深入研究也將為重塑新的分子設計雜交育種體系提供新的切入點.

3 我國作物育性調控研究和分子設計雜交育種面臨的瓶頸與對策

3.1 戰勝作物育性受多基因調控和環境制約的挑戰

在作物功能基因組取得長足發展的基礎上, 我國已克隆了一批有自主智慧財產權的作物育性調控基因, 包括細胞質雄性不育基因

3.2 解決規模化和精準化進行種質資源的鑑定與利用的難題

作物種質資源的充分利用是雜交育種的核心. 但是我國對作物種質資源的系統評價還未走向規模化, 對優異等位基因的鑑定挖掘也還未走向精準化; 此外, 我國在水稻種質資源的挖掘和全基因組水平的鑑定上取得了一系列原創性成果, 但是對其他作物的研究還存在一定差距, 因此將作物品種資源轉變為基因資源還任重道遠. 未來的工作應在建立種質資源鑑定與創新體系的基礎上, 更高通量更大規模地對優異種質資源和育種材料進行鑑定, 並以性狀為導向精準篩選能服務於作物雄性不育系創建和雜種優勢利用的基因資源. 同時將水稻中已建立的高通量資源利用、表型考察、基因挖掘體系應用到其他作物中.

3.3 突破現有分子育種技術瓶頸, 引領前沿技術體系變革

我國的作物雜交育種技術緊跟國際前沿, 並處於國際領先水平, 如基因編輯應用於雜種優勢的固定, 智能核不育分子設計育種體系在水稻和玉米中得到應用, 分子標記輔助選擇和基因編輯推動遠緣雜交親和品種的培育, 這極大地促進了我國作物雜種優勢利用技術的廣泛應用. 但是我國從0到1的原創性技術仍然存在很大局限, 如缺乏原創性的基因編輯技術、單細胞測序技術、育種高通量檢測技術、信息化分析和檢測技術等. 未來工作應以需求為牽引, 以技術創新為導向, 創建從種質資源到全基因組選育, 從基因挖掘到分子設計育種, 品種培育到種子生產加工的全產業鏈.

4 我國雜交育種技術面向2035年的戰略布局

為確保我國雜交育種技術的世界領先地位和可持續發展, 實現我國種業2035年中長期目標, 在作物育性理論和應用研究中必須重點做好以下四方面的工作.

4.1 作物雄性不育和育性恢復的調控機制

我國糧食安全是國家戰略問題. 作物雜種優勢利用是確保我國糧食作物的高產和穩產的重要策略, 作物雄性不育和育性恢復的轉換是實現雜種優勢的實踐基礎. 因此, 需要持續挖掘水稻、玉米、小麥、大豆、油菜等主要農作物雄性器官(花葯)發生、小孢子形成等雄性發育過程中的調控基因和信號網絡. 同時發揮我國作物豐富的種質資源優勢, 克隆相關基因並解析雄性不育和育性恢復的調控機制. 進一步發掘雜交育種所需的遺傳材料, 豐富雜交育種中不育系和恢復系的遺傳多樣性, 改變當前育種同質化現象, 優化三系和兩系制種體系.

4.2 作物育性轉化及其與光溫互作和環境響應的理論基礎

環境變化和逆境脅迫對作物產量帶來極大的影響

此外, 目前兩系制種主要依賴於溫敏不育材料, 只能在早季、低溫條件下制種. 近期在水稻中發現一類與常規光/溫敏不育系表型相反, 短光周期/低溫不育、長光周期/高溫可育的新型反光/溫敏不育材料

4.3 作物遠緣雜種不育的分子調控網絡和遠緣雜種優勢利用

我國育種家們經過長期的探索, 已經在水稻中培育了少數具有生產應用價值的秈粳亞種雜交稻組合, 如「甬優系列」和「春優系列」等, 揭開了遠緣雜種優勢利用的序幕. 當前克隆的雜種不育位點還非常有限, 導致雜種不育的分子機制還存在許多疑點和難點. 未來工作應最大限度地克隆種間和亞種間雜種不育基因, 利用基因編輯等技術手段快速創建多位點的人工親和系, 將推動遠緣雜種優勢的利用從理論推向實用化, 從水稻推向其他作物, 作為未來作物增產的新生長點.

基於無融合生殖的「一系法」育種可應用於遠緣雜種優勢的固定[78]

4.4 雜交育種技術的創新和農業生產方式的變革

新時期的智慧農業必須依靠科學和技術的進步. 未來工作應利用前沿生物技術手段, 發掘和創建新型不育系和雜交制種體系. 同時結合作物多倍體育種, 開發建立多倍體雜交育種體系. 另外, 雜交育種還需要解決不育系包頸和雜交種早衰等生產實際問題的分子機制, 實現雜交種綜合性狀改良, 提升其增產潛力.

此外, 隨著人民生活水平提高, 社會日益趨向老齡化發展, 我國農村年輕人口湧入城市, 農村勞動力逐漸變弱, 制種機械化需求日益凸顯. 培育適應無人機輔助、機械混合制種和種植的新材料, 對節省人力成本具有重要意義. 智能核不育系的培育改變傳統雜交育種模式, 可實現大規模、機械化安全制種. 智能型雄性不育系或雌性不育系的創製, 需要突破現有智能核不育系篩選標記主要依靠螢光蛋白、配子致死基因多限於α-amylase的局面, 獲得更多有效篩選標記和配子體致死基因, 促進我國農業生產方式的變革.

參考文獻詳見原文：

https://www.sciengine.com/publisher/scp/journal/SSV/51/10/10.1360/SSV-2021-0172?slug=fulltext

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