玉米是我國(guó)面積最大、總產(chǎn)最高和全球種子市值最大的糧食作物，對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有舉足輕重的作用。持續(xù)不斷提高產(chǎn)量的核心在于雜交玉米新品種的培育，以提升雜種優(yōu)勢(shì)利用水平。而培育雜交種親本一般需要連續(xù)自交純化8代或更長(zhǎng)周期，是玉米育種關(guān)鍵限速步驟。傳統(tǒng)選育方法已沿用百余年，如何加速玉米親本自交純系選育一直是國(guó)際育種界的迫切需求。由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)陳紹江教授聯(lián)合李建生和劉晨旭、吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院才卓、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院黎亮和北京市農(nóng)林科學(xué)院段民孝等專家通過(guò)長(zhǎng)期協(xié)同攻關(guān)，成功研發(fā)出玉米單倍體育種高效技術(shù)體系，將親本選育的周期縮短至2代，速度可提高4倍以上，讓育種“快”了起來(lái)，成為育種上的“高鐵技術(shù)”。這項(xiàng)工作獲得了2023年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。
單倍體這一生物學(xué)概念并不陌生，常見(jiàn)的玉米等作物都是二倍體，其染色體都是成對(duì)存在于細(xì)胞中。而單倍體的植株細(xì)胞的染色體數(shù)量降低為二倍體的一半。實(shí)際上，植物單倍體的發(fā)現(xiàn)最早可追溯至百年以前。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家觀察到自然界偶然會(huì)出現(xiàn)單倍體,雖然可以生長(zhǎng)但一般高度不育，繁殖困難。理論上，對(duì)單倍體進(jìn)行染色體加倍處理可以使其變回二倍體，這個(gè)過(guò)程中染色體由一個(gè)復(fù)制變成完全相同的兩個(gè)，因此加倍獲得的二倍體是遺傳上純合的純系（即雙單倍體系，或DH）。而這樣的材料恰恰可以應(yīng)用于雜交種的培育，理論上就可以顯著縮短玉米親本純系選育周期，大幅加快育種進(jìn)程。
然而，由于自然界中單倍體發(fā)生的幾率太低，無(wú)法應(yīng)用。長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直在不斷探索，試圖找到能穩(wěn)定、快捷產(chǎn)生單倍體的方法。國(guó)內(nèi)外科學(xué)家先后嘗試了花藥或子房等組織培養(yǎng)等多種單倍體技術(shù)路徑，雖也取得了一定進(jìn)展，但因受限于操作復(fù)雜、易受遺傳背景影響等原因而限制了應(yīng)用。開發(fā)穩(wěn)定高效獲得單倍體的技術(shù)路徑是實(shí)現(xiàn)單倍體育種技術(shù)的應(yīng)用的首要卡點(diǎn)，也是植物育種界面臨的共性難題。
本次獲獎(jiǎng)項(xiàng)目瞄準(zhǔn)的方向是雜交誘導(dǎo)單倍體技術(shù)路線。該技術(shù)的基礎(chǔ)是上世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)的原始玉米誘導(dǎo)系材料，利用其花粉與其他玉米雜交后，雜交當(dāng)代果穗上就可產(chǎn)生1-2%左右的母本單倍體種子。但是該技術(shù)路徑存在多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，首先是原始誘導(dǎo)系的誘導(dǎo)率很低，且單倍體誘導(dǎo)的遺傳基礎(chǔ)不明確，難以規(guī)模化應(yīng)用；其次是雜交誘導(dǎo)當(dāng)代籽粒中，單倍體很少且與二倍體隨機(jī)出現(xiàn)，通常依賴顏色基因標(biāo)記挑選，易受環(huán)境和遺傳背景等因素影響不易準(zhǔn)確區(qū)分，需要建立穩(wěn)定可靠的高效鑒別標(biāo)記系統(tǒng)；第三是自然條件下，單倍體一般高度不育，需要染色體加倍才能獲得種子。因此，立項(xiàng)之初，國(guó)內(nèi)外均處于探索階段，該技術(shù)路徑是否可行也沒(méi)有共識(shí)，更沒(méi)有現(xiàn)成答案。
雜交誘導(dǎo)單倍體育種技術(shù)流程
項(xiàng)目針對(duì)該技術(shù)體系的關(guān)鍵技術(shù)難題，聚焦高效技術(shù)的體系化研發(fā)，經(jīng)過(guò)近30年持續(xù)攻關(guān)，取得了覆蓋全技術(shù)鏈的創(chuàng)新成果。在單倍體誘導(dǎo)系創(chuàng)制方面，通過(guò)創(chuàng)新表型選擇方法、發(fā)明分子標(biāo)記輔助選育方法，先后培育了三代單倍體誘導(dǎo)系，將單倍體誘導(dǎo)效率提高到20%以上。開啟了我國(guó)單倍體育種的先河，也為該技術(shù)的高效應(yīng)有提供了核心材料。更為重要的是，項(xiàng)目成功克隆的2個(gè)關(guān)鍵誘導(dǎo)基因，解析了誘導(dǎo)的遺傳基礎(chǔ)，我國(guó)在此領(lǐng)域占領(lǐng)了技術(shù)制高點(diǎn)，也為不同作物單倍體快速育種技術(shù)的創(chuàng)建開辟了新路徑。在鑒別技術(shù)方面，團(tuán)隊(duì)基于籽粒油分花粉直感現(xiàn)象，在國(guó)際上率先提出利用雜交當(dāng)代遺傳效應(yīng)鑒選單倍體的技術(shù)原理。該原理的核心是利用單倍體與二倍體在雜交當(dāng)代籽粒油分含量或幼胚形態(tài)差異。發(fā)明了基于籽粒油分標(biāo)記的單倍體籽粒篩選方法，并合作開發(fā)了全自動(dòng)單倍體籽粒鑒別裝備，實(shí)現(xiàn)了單倍體籽粒高通量、自動(dòng)化鑒別。進(jìn)一步發(fā)明了基于幼胚形態(tài)的單倍體可視化快速鑒選方法，實(shí)現(xiàn)了單倍體幼胚的精準(zhǔn)高效鑒別；針對(duì)單倍體自然條件下高度不育，難以繁殖獲得種子的難題，團(tuán)隊(duì)基于研究發(fā)現(xiàn)的單倍體細(xì)胞存在染色體倍性嵌合現(xiàn)象，通過(guò)染色體加倍方法的不斷創(chuàng)新和技術(shù)迭代，先后建立起“芽苗加倍”和“幼胚組培加倍”等成套高效加倍技術(shù)，使染色體加倍效率提升5倍乃至10倍以上，滿足了不同地區(qū)、不同規(guī)模的育種企事業(yè)單位的技術(shù)需求，實(shí)現(xiàn)了高通量、高效的純系創(chuàng)制。
上述三大核心技術(shù)的突破，形成了從原理創(chuàng)新到原創(chuàng)技術(shù)的多項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先的標(biāo)志性成果。從高頻誘導(dǎo)系的選育，到關(guān)鍵誘導(dǎo)基因的克隆，再到精準(zhǔn)鑒別和高效加倍技術(shù)創(chuàng)建，打通了全技術(shù)鏈，進(jìn)一步在實(shí)踐上與育種系統(tǒng)集成融合形成工程化快速育種模式，由此創(chuàng)建了單倍體育種高效技術(shù)體系并實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
2007年陳紹江教授在登海種業(yè)基地調(diào)研技術(shù)應(yīng)用情況
育種實(shí)踐是技術(shù)價(jià)值的試金石，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用是對(duì)科研成果的最好禮贊。項(xiàng)目通過(guò)技術(shù)培訓(xùn)和科企合作，在登海種業(yè)、墾豐種業(yè)、五谷種業(yè)等全國(guó)數(shù)十家玉米種子骨干企業(yè)均建立了單倍體育種技術(shù)平臺(tái)，大幅提高了企業(yè)育種研發(fā)的效率，促進(jìn)了企業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新能力的提升，育種單位利用該技術(shù)創(chuàng)制純系的規(guī)模迅速提高到數(shù)以萬(wàn)計(jì)。項(xiàng)目創(chuàng)建高效技術(shù)體系還催生了新的DH純系創(chuàng)制服務(wù)企業(yè)，如北京華育和創(chuàng)、鐵嶺東升等創(chuàng)新型企業(yè)，已形成百萬(wàn)級(jí)通量的規(guī)?；兿祫?chuàng)制平臺(tái)，服務(wù)范圍覆蓋全國(guó)主要企事業(yè)育種單位。同時(shí)，大批DH純系創(chuàng)制和雜交種的育成及其規(guī)?；茝V，已為我國(guó)玉米增產(chǎn)增收注入了新的動(dòng)能，彰顯了該技術(shù)多快好省的突出優(yōu)勢(shì)。純系選育模式由慢到快的重大變革，使玉米育種駛上“快”車道，推動(dòng)了我國(guó)玉米育種技術(shù)的更新?lián)Q代。
該技術(shù)的突破和大規(guī)模應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了由邊緣到主流核心技術(shù)的躍升，此不僅是包括宋同明教授在內(nèi)的幾代人近三十年持續(xù)努力和項(xiàng)目完成單位精誠(chéng)合作的結(jié)果，也是產(chǎn)、學(xué)、研、用聯(lián)合攻關(guān)所鍛造的關(guān)鍵核心技術(shù)新路標(biāo)。不僅實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的由“無(wú)”到“有”，也實(shí)現(xiàn)了整體上引領(lǐng)性的突破，為國(guó)家種業(yè)振興交出了自立自強(qiáng)新答卷。
如何將玉米單倍體育種的成功經(jīng)驗(yàn)拓展至更多作物是團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步攻關(guān)的重要方向。目前，利用單倍體誘導(dǎo)關(guān)鍵基因ZmPLA1及ZmDMP在不同物種中的序列保守性，項(xiàng)目已在小麥、番茄、油菜、煙草、大豆等十多種重要作物上成功進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證。未來(lái)，有望創(chuàng)建通用型跨作物單倍體快速育種技術(shù)體系，進(jìn)一步引領(lǐng)作物育種的發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)讓更多作物育種坐“高鐵”的夢(mèng)想，繼而為我國(guó)種業(yè)科技創(chuàng)新和振興賦予強(qiáng)大新動(dòng)能。
