IMGE：作物育种的“马良神笔”

左边的图显示了IMGE技术的路线，右边的图显示了通过IMGE技术成功编辑玉米B73自交系ZmLG1基因。中国农业科学院生物技术研究所照片

■我们的记者王芳

高产优质的新品种是农业的基石，但传统的作物育种方法周期长、效率低。近年来，随着分子生物学、基因组学和农业生物技术的发展，新的作物育种技术不断涌现，在一定程度上加快了作物育种进程，提高了育种效率，但在实际应用中仍存在许多不足。

最近，来自中国农业科学院生物技术研究所和华南农业大学的研究人员开发了一种单倍体诱导介导基因组编辑(IMGE)技术，该技术可以精确地加速作物育种的过程。相关的研究结果发表在《分子植物》在线版上。

生产的迫切需求

近几十年来，由于作物品种的改进和生产方法的改变(如密植、使用农药和化肥)，作物产量，特别是单位产量的稳步增长，对世界人口的增长起到了关键的支持作用。作物品种的改良主要得益于育种带来的遗传增益。

然而，在传统育种中对优良性状的定向改良需要材料(供体亲本)与优良性状或基因的杂交以及材料(受体亲本)的改良，经过6-8代回交和繁琐的背景选择，最终从后代中选出具有受体亲本和供体亲本的优良性状或优良基因型等其它性状的个体进行下一轮育种。

“这一过程耗时、费力且成本高，而且由于表型观察准确性和遗传障碍效应的影响，获得的结果并不总是与预期目标一致。”中国农业科学院生物技术研究所助理研究员王宝宝说，这封信的第一作者和合著者。

因此，迫切需要一种能够快速准确地改良作物性状的育种方法，以加快作物育种的进程。

近年来，一些新的作物育种技术如双单倍体技术、转基因技术、分子标记辅助育种技术、基因组编辑技术、智能不育技术(第三代杂交水稻育种技术)、杂种优势固定技术(无融合生殖技术)相继出现。双单倍体技术已广泛应用于玉米、小麦、大麦、烟草等作物的育种。

双单倍体技术可以通过与单倍体诱导系杂交，快速产生不受遗传背景限制的单倍体，然后通过人工或天然染色体加倍成双单倍体，在短时间内(两代)实现作物优良基因型的固定，从而产生用于杂交育种或品种育种的纯合自交系。

以CRISPR/Cas9为代表的基因组编辑技术是一种高效、准确的体内改变DNA的方法，可用于精确改良作物的高产、抗逆、优质等性状，为未来作物育种提供了一种新的创新工具。

基因组编辑技术的应用涉及作物的遗传转化，但目前大多数作物的遗传转化效率很低，特别是优良的商品品种记者王海洋，华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室教授说，首先，由于育种材料遗传转化能力的限制，其应用需要长回交和大量的群体选择，费时费力。其次，去除CRISPR载体的过程增加了育种的复杂性和成本。

巧妙的繁殖策略

这项最新成果中报道的IMGE育种策略巧妙地将单倍体诱导与CRISPR/Cas9基因编辑技术相结合，实现了两者的优势互补，并在两代内成功创造出通过基因编辑改良的双单倍体纯系。

王宝宝说，“这种方法可以打破基因编辑和育种对物质遗传转化能力的依赖，创造出一个没有CRISPR载体的纯系。”

技术路线是通过农杆菌介导的转化方法将用于改善目标农艺性状的CRISPR/Cas9载体导入可转化玉米品种(如ZC01和B104)，然后通过杂交、Basta除草剂抗性筛选(确保CRISR/cas9载体的成功导入)和特异性分子标记检测(确保单倍体诱导基因MATTE)将CRISR/cas9载体导入单倍体诱导系，建立携带CRISR/Cas9载体的单倍体诱导系。

然后，以携带CRISPR/Cas9载体的单倍体诱导系为父本与任何商业自交系(如B73)杂交，根据F1种子胚的颜色选择候选单倍体种子(单倍体种子胚无色，而正常受精获得的二倍体种子为紫色)。

单倍体植株是根据候选单倍体的田间表现来确定的(与正常二倍体野生型相比，单倍体植株往往个体较小，发育较慢)。然后，根据目的性状的变化和CRISPR/Cas9目的位点的测序分析，筛选出目的位点的编辑单倍体。

王海洋说，这些单倍体可以通过人工或天然染色体加倍成纯合二倍体植株(目标性状已得到改良)，从而在两代内培育出性状改良的商品玉米品种，大大加快了作物育种的进程。

利用这一技术，研究人员成功编辑了玉米骨干自交系B73中的ZmLG1(控制叶角)和UB2(控制雄穗分枝数)基因，获得了在这两个位点成功转化的单倍体，并通过加倍天然染色体获得了成功编辑的双单倍体。

然后通过分子标记检测和测序分析，证实CRISPR/Cas9介导的基因编辑确实发生在B73背景。进一步的巴斯塔抗性筛选和特异性分子标记检测证实编辑的单倍体不含CRISPR载体。

谱写育种新篇章

该技术的应用可以实现任何商品品种中目的基因的高效、准确改良，不受基因型的限制，从而摆脱了现有转基因技术和基因编辑系统对遗传背景的限制王海洋说。

同时，IMGE的成功也为玉米单倍体形成机制的分析提供了有力的证据。它支持玉米单倍体是受精后父本基因组的丢失，而不是由未受精的卵细胞孤雌生殖形成。

有趣的是，这项技术与先正达的科研人员最近提出的HI-Edit育种策略相吻合。这两份完全独立的研究报告为该策略的可靠性提供了进一步的证据。

王宝宝说:“近年来，基于含油量和荧光蛋白标记技术的新的工程单倍体诱导系统已经成功开发。目前，基因编辑技术的发展使得多个基因可以同时编辑，实现多个性状的同时改良。这些技术的结合将大大提高IMGE的效率和便利性，使其在工程育种中发挥重要作用。”

另一方面，诸如单碱基编辑、基因替换和基因分型等新的基因编辑技术的发展将为IMGE技术的应用提供更大的灵活性、移动性和可控性。除了玉米和水稻之外，在小麦、大麦、烟草和其他植物中也建立了成功的单倍体诱导系统。

“可以预见，IMGE及其组合将极大地推动新一代育种技术的发展和集成，极大地加快现代作物育种的进程和效率，使‘马良沈笔’等技术在作物育种的征途上描绘出一幅壮丽的画卷。”王海洋说。

鉴于该技术潜在的重大应用前景，《分子植物》编辑部在同一时期发表了一篇评论文章，认为IMGE(或HI-edit)技术和以前报道的利用基因组编辑获得无融合生殖株系的技术，从而实现杂种优势的快速固定，有望成为一批新的下一代作物育种技术，并有望在未来的作物育种中得到广泛应用。

就在IMGE技术相关论文发表后四天，许多作物育种公司表现出极大的关注，并就技术细节咨询了论文作者。王海洋说，这项技术的主要优势之一是简单、易于操作和接地。只要携带CRISPR载体的单倍体诱导系成功构建，育种专家就擅长杂交和单倍体选择。饲养者没有门槛。

相关文件信息:DOI:10.1016/j.molp.2019.03.006

《中国科学报》(2019-03-26)第五版《农业科技》