遺傳發育所報道“二合一”快速育種新策略

2月16日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所許操研究組在Plant Biotechnology Journal上，在線發表了題為A two-in-one breeding strategy boosts rapid utilization of wild species and elite cultivars的論文。該研究報道了“二合一”快速育種新策略，將全新的從頭馴化育種方法和經典的雜交育種技術取長補短、優勢互補，在番茄中實現了耐逆性狀的快速導入和多樣化種植模式的“一鍵”創制，為高效、快速利用優異野生資源和栽培種質，培育環境適應型作物和種植模式多樣化作物提供了新思路。

全球氣候變化導致極端天氣頻發，威脅現代農業發展和國家糧食安全。經過長期的人工選育，大部分作物實現了高產優質性狀的聚合，但遺傳多樣性降低，復雜性狀育種遭遇遺傳瓶頸，難以適應未來氣候變化和頻發的極端天氣?；蚓庉嫾夹g的發展使快速、精準育種成為可能，但快速創制由多個數量性狀位點決定的復雜農藝性狀仍極具挑戰，如環境適應與耐受性狀。尤其在基因“敲入”或“敲高”等方面缺乏高效的植物基因編輯工具，使許多復雜性狀很難通過基因編輯創制。野生植物經歷了長期的自然選擇和環境適應性演化，具有天然的環境適應和耐逆性狀；而現代栽培種經過長期人工選育，擁有優異的產量和品質性狀，兩者的“珠聯璧合”是未來作物的顯著特征。傳統育種可以通過雜交將野生種的耐逆性狀滲入到栽培種中，然而，由于野生種的生殖障礙、巨大的生長習性差異以及栽培種人工去雄的勞動力和時間成本等多重因素，這種基因滲入的進程耗時費力。

許操研究組將從頭馴化育種新方法和雜交育種經典技術取長補短、優勢互補，提出了“二合一”快速育種新策略。該策略通過基因編輯技術在番茄栽培種中快速創制雄性不育系，減少雜交所需的人工成本；對耐逆性狀優異的野生種進行從頭馴化，減少性狀導入的時間成本，實現了野生種和栽培種優異性狀整合的“雙減”和種質資源的高效利用，加速了耐逆育種進程。

研究選擇經典栽培番茄品種Ailsa Craig（AC）作為親本材料，利用CRISPR/Cas9敲除番茄小孢子時期特異表達的異胡豆苷合成酶編碼基因Sl-LAP3，創制了雄性不育材料，并證實除育性外該材料的生長發育和產量品質等農藝性狀均不受影響。為了獲得優異耐逆性狀，研究選擇了起源于秘魯海濱重度鹽堿地的野生醋栗番茄Solanum pimpinellifolium(S.pimp)作為供體，利用多靶點基因組編輯系統同時靶向實驗室早期鑒定的番茄開花和株型從頭馴化基因模塊——SELF-PRUNING 5G(SP5G)和SELF-PRUNING(SP)基因，快速創制了對光周期不敏感，且兼具果實同步成熟和緊湊株型的從頭馴化株系，克服了野生番茄生長習性的差異，并保持了其耐受重度鹽堿和高抗病的優異性狀。將從頭馴化的S.pimp株系與AC雄性不育系雜交，F1代植株與親本相比呈現中間表型。在F2分離群體中獲得了兼具母本產量和品質性狀、父本耐重度鹽堿和高抗病性狀的植株。同時，F2分離群體還可以分離獲得除了兼具上述性狀以外分別含有sp,sp5g,sp sp5g三種突變組合的株系，它們呈現不同株型，可分別適宜露地栽培、溫室栽培和植物工廠栽培等多種種植模式。該研究通過整合從頭馴化和雄性不育系快速創制，實現了優異野生種和栽培種資源挖掘利用和種質創新中的人力和時間成本的“雙減”，而馴化基因模塊的多樣化分離實現了種植方式的“多增”。

“二合一”育種策略為番茄耐逆種質創新提供了新策略，并為雜種優勢明顯的主要糧食和經濟作物的快速育種提供了新思路。隨著鄉村振興、精準扶貧的穩步推進以及人民生活水平提高，具有地方特色的小宗作物育種愈加受到重視，“二合一”育種策略為小宗作物育種提供了新方法。

(來源：遺傳與發育生物學研究所)