crispr助力非转基因杂交种粮食生产丨cellpress论文速递-凯发k8一触即发

杂交种在过去的几十年间极大提高了世界粮食作物的产量，但如何高效稳定地生产杂交种一直是农业领域的一大难题。如今，中国农业科学院的专家利用基因编辑技术设计了一种新的育种方法，利用最新的基因编辑crispr技术，将研发建立杂交种生产线的时间减少5至10年。这项技术还能生产非转基因的品种。该研究在7月8日发表在cell press细胞出版社旗下期刊molecular plant（《分子植物》）上。

在粮食种植领域中，杂交种比起纯种更具有优势。将拥有不同基因特征的作物杂交，得到的后代通常比第一代具有更优越的性状，比如高产、高抗病性与广适应性。这一现象被称为杂种优势。

“但是现阶段的杂交种生产技术非常费时费力。” 论文通讯作者、中国农业科学院的谢传晓教授和李新海教授说。

比如，杂交种生产至关重要的一步是找到或是生产出没有有效花粉的雄性不育亲本作为杂种生产的母本。这样能在很大程度上避免母本接受自己的花粉，并让它们接受另外一类拥有不同性状的作物的花粉，以达到杂交的目的。但是这种不育的特征是由植物的基因控制，要培养出一条稳定的繁殖不育亲本线通常需要很长的时间，而且还需要一个保持育性的保持系。保持系生产出的保持系需要能够自交并生产出保持系与不育系，才能源源不断繁殖不育系和保持系并生产杂交种，形成高效的种子生产技术，为农业生产提供优质的杂交种籽种。

这些步骤对于育种的亲本基因有很高的要求，生产环节也非常复杂。以至于培育杂交种的周期长，效率低。

“这些缺点都限制了现有的杂交手段在农业上的更大规律利用。”谢传晓说，“我们的新系统，可以利用crispr/cas9 来简化流程，只要一次转化就够了。”

谢传晓的团队首先构建了一个搭载了rna指导的cas9 酶的表达载体。这条载体的目的是将玉米核基因中 ms26控制雄花育性的重要功能部分删除。他们还创建了第二个载体，搭载了一条人造的基因，mgm。这条基因有三个功能：一个能恢复植物雄花发育的ms26正常开花性状，一个让花粉失活的酶，以及一个位于种子上的红色荧光标记。该团队将这两个载体转化到农杆菌中，并介导玉米幼胚遗传转化。由于玉米是孢子植物，转化后的玉米植株筛选得到携带有一对被编辑过的ms26，以及一条单独的mgm。编辑后的玉米植株自交繁殖，会以1比1的比例得到两种不同的后代：一个是仅有有不育ms26基因的后代、一个是既有不育ms26又有mgm的后代。

前一类没有mgm的后代具有稳定的雄性不育基因，称为不育系，非常适合用于玉米杂交育种和杂交制种。并且由于不育系并不携带外来的基因，用它与其他非转基因品种生产出的杂交种也并非转基因作物。

第二类含有mgm基因的后代与它的亲本其实拥有一样的基因，所以这一类种子又称为保持系。这些植物可以通过自交繁殖，持续生产不育系与保持系。

由于mgm基因上携带的颜色记号蛋白，保持系的种子在荧光灯会呈现红色，能很容易地与不育系区别开，使分拣两类种子成为可能。

“我们的系统降低了生产杂交种的成本，种子生产时无需人工或机械去雄。所以用这种方式生产出的种子的价格也会下降，而种子的质量还能有所提高。”谢传晓说。

不仅是玉米，ms26也存在于其他粮食作物上，包括水稻、谷子、小麦和高粱。所以这项技术可以直接运用到其他作物上，也可以运用在其他类似的基因上，比如水稻上的ms7。

“只要把相关申请许可手续做好，从技术上来说，这个系统大规模运用生产不会有什么太大的障碍。该类技术在美国与日本等国家与普通作物一样，属于免于监管的类型。”谢传晓说。