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撰文 | 顾卓雅
责编 | 叶水送
人类对作物的驯化已持续了上万年。农作物每一个优秀的特性从发现到形成稳定的种子都需要数年甚至数十年。近年来，基因编辑技术让这个过程大为简化，使得人们得以精确快速地编辑作物基因组，实现选育增产。2020年7月8日，中国农业科学院谢传晓研究员发表论文，利用 CRISPR/Cas9 技术一步创制雄性不育系和保持系，为作物杂交技术提供了高效的培育方案。
在作物生产中，杂交种比纯种更受欢迎。杂交种通常在生长速率、产量、抗逆性等方面明显优于双亲，这种现象称为杂种优势。目前，我国水稻的杂交种率约为50%，而玉米的杂交种率几乎可达100%，足见杂交种在农业生产中的重要性。但根据孟德尔定律，杂交种的自交后代会出现性状分离，失去杂交种的优势。因此，为了获得稳定的杂交种，核心问题是要避免自交。子一代F1可能具有杂种优势，但根据孟德尔遗传定律，在子二代F2会再次出现亲本的性状。图片：googleusercontent.com通常采用的解决办法是利用雄性不育株构建杂交系。由于雄性不育株的花粉发育不良，只能作为母本接受配套父本的花粉与之杂交，从而能确保产生的子代是具有优势的杂交种。同时，子代还需要产生新的母本和父本。只有建立了这样的杂交系统，才能实现高效的田间种子生产线。
尽管过去几十年中，杂交技术已让全世界作物产量显著提高，但这些方法对植物的基因型有非常特殊的要求，因而建立稳定的不育和可育品种和后续的生产维护都过程繁琐，且费时费力。为了解决杂交技术中的难点，谢传晓团队在这项研究中，利用CRISPR/Cas9的新系统简化了杂交育种的流程，仅需一步就可以创制不育系和保持系，并同时解决了不育基因导入和不育株筛选的问题。研究者首先构建了两个载体：一个用来构建创制雄性不育系，用来创制保持系。MS26ΔE5-Editor 载体具有基因编辑活性，用于创制雄性不育系。通过剪掉玉米中育性基因MS26的一小段，使MS26基因失去功能，让玉米雄性不育。而MGM载体则用于创制保持系，包括三个基因，一个用来恢复MS26的功能，另一个是能导致花粉失去活性的酶，还有一个会让玉米粒发出红色荧光。最终，经过处理的玉米胚胎将携带两个被剪切的MS26和一个MGM拷贝。在杂交体系中，使用不育系作为母本，就可以与其他父本优势种杂交获得杂交种。而使用保持系自交时，由于MGM上携带的花粉淀粉酶基因会造成花粉败育，因此只有不携带MGM的花粉可以作为雄配子，雌配子则一半携带MGM，一半不携带MGM，最终产生一半不育系和一半保持系。由于MGM上的荧光基因，保持系的玉米籽粒会发出荧光。实验证明，不管是人工和机器方法都可以有效的区分不育系和保持系籽粒的荧光，以便筛选。在这个系统中，不育系植株不携带外源性的MGM基因，因此只要是与非转基因品种杂交产生的后代，就不是转基因作物。
除了玉米，MS26基因在许多作物中功能保守，例如水稻、谷子、小麦和高粱，因此该方法可以很容易的应用在其他作物中，为杂交技术提供基础。
自人类驯化植物以来，人们选择种植最优秀的种子，以便获得最高的产量。现在，这一过程可以被基因编辑大大加快。与转基因食品不同，基因编辑是编辑了物种本身的基因，而不转入其他物种的基因。经过基因编辑的作物，与人工选育或自然突变形成的效果十分相似，难以区分。随着基因编辑技术的发展，许多原本依靠转基因技术的育种可以由基因编辑技术来实现。目前，各国对基因编辑的态度和监管各有区别。美国对基因编辑作物的监管松散，基本不受限制。欧洲则将基因编辑技术与转基因归为一类，受到相似的监管。而中国对基因编辑作物的监管仍不明确，尚未进行生产应用，但相关科研成果早已位于世界前列。或许在不久的将来，基因编辑不仅可以通过改变育性来推进杂交技术的发展，更可以直接编辑高产，营养或减毒基因，改良作物，让我们的食品更加营养和丰富。雄性不育从原理上可以分为核质互作不育（简称胞质不育，CMS）和核不育（GMS），由此衍生出不同的杂交培育方法。
上世纪70年代发展的第一代杂交技术，是基于CMS的 “三系法”。尽管得到了大规模应用，但 “三系法” 需要利用 “雄性不育系”、“保持系” 和 “恢复系”三系配套来完成，受到恢保关系的限制，不但技术上复杂、效率较低，而且难以获得最优势的性状，还可能受到专化病害的影响。
三系杂交系统。图片：http://www.ershenghuo.com/shenghuoxiaochangshi/ShuLiHuaChangShi/234288上世纪90年代，第二代杂交技术基于光、温敏雄性不育发展了 “二系法”，是目前水稻种植主要应用的方法。“二系法” 比 “三系法” 系统简单，但由于雄性不育需要特定的光温条件，因此容易受环境条件影响，有时无法保证效果。
第三代杂交技术旨在利用GMS来构建更简单、稳定的杂交系。但由于需要将不育基因导入所需要的遗传背景中，耗时较长。从发现野生的核不育隐性基因到回交导入母本中，需要耗费数年。而且还存在不育株与可育株不好区分，难以机械化的困难。
作者简介
顾卓雅，复旦大学生物信息学博士，上海市科普作家协会会员，公众号 “顾小姐的百草园” 创始人，从事科普教育活动8年。
参考文献
1. 袁隆平. 水稻的雄性不孕性.科学通报,1966,17:185-188.
2. 袁隆平. 两系法杂交水稻研究的进展.中国农业科学,1990(03):1-6.
3. Xiantao Qi, Congsheng Zhang, Jinjie Zhu, Changlin Liu, Changling Huang, Xinhai Li, and Chuanxiao Xie. Genome Editing Enables Next-Generation Hybrid Seed Production Technology, Molecular Plant, 2020,https://doi.org/10.1016/j.molp.2020.06.003
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