2026年1月5日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)陳紹江教授團隊在Plant Communications上發(fā)表題為“An All-in-One Visual Selection System for Male-Sterile Line Production in Maize and Rice”的研究論文。
該研究成功開發(fā)了一種“四位一體”的新型雜交制種技術(shù)（All-in-one Seed Production Technology, ASPT）。該技術(shù)將CRISPR/Cas9基因編輯器、育性恢復(fù)基因、花粉致死與可視化標(biāo)記系統(tǒng)整合至單個載體，實現(xiàn)了在玉米和水稻中高效創(chuàng)制與繁殖雄性不育系，并可通過種子和植株的雙階段視覺化篩選，顯著提升不育系的繁殖效率和純度，為作物雜交制種提供了更高效、更實用的新工具。
01
研究背景
雜種優(yōu)勢利用是提高作物產(chǎn)量的重要途徑。
然而，雜交種子生產(chǎn)長期依賴人工去雄，成本高、效率低，且易因去雄不徹底影響種子純度。
細胞質(zhì)雄性不育（CMS）系統(tǒng)雖可免除去雄步驟，但依賴特定恢復(fù)系，限制了親本選擇的靈活性；光溫敏核雄性不育（EGMS）系統(tǒng)則受環(huán)境波動影響大，制種風(fēng)險高。常規(guī)核雄性不育（GMS）系統(tǒng)育性雖穩(wěn)定，但其不育系無法通過自交保持，需借助保持系進行1:1分離繁殖，難以大規(guī)模獲得純合不育系種子。
SPT技術(shù)通過向不育系中導(dǎo)入攜帶育性恢復(fù)基因、花粉致死基因和熒光標(biāo)記基因的SPT載體，創(chuàng)制轉(zhuǎn)基因保持系，理論上可實現(xiàn)100%不育系種子的繁殖。然而，傳統(tǒng)SPT技術(shù)在實際應(yīng)用中仍存在多重限制：
優(yōu)良母本自交系通常不含不育位點，需通過多代回交導(dǎo)入不育基因與SPT載體，且每一代均需對不育位點與載體進行檢測，流程復(fù)雜；
篩選依賴熒光標(biāo)記與專用設(shè)備，對中小規(guī)模種企不夠友好；
此外，轉(zhuǎn)基因花粉仍有低概率泄漏，種子分選階段存在誤選風(fēng)險，且無法在植株生長階段進行雜株鑒別，影響大田應(yīng)用的可靠性
因此，開發(fā)一種能夠簡化流程、實現(xiàn)可視化分選、并廣泛適應(yīng)不同遺傳背景的新型SPT系統(tǒng)，成為推動雜交制種技術(shù)升級的重要方向。
02
研究內(nèi)容
本研究在經(jīng)典SPT基礎(chǔ)上，成功構(gòu)建了新型雄性不育系創(chuàng)制與繁育系統(tǒng)——ASPT。傳統(tǒng)SPT需先后完成不育突變體創(chuàng)制和SPT載體導(dǎo)入兩個獨立步驟，而ASPT通過一體化載體設(shè)計，將CRISPR/Cas9基因編輯組件與SPT功能模塊（包括育性恢復(fù)基因CRISPR/Cas9-immune Ms45、花粉致死系統(tǒng)pPG47::Bt1-ZmAA1）整合于同一載體，實現(xiàn)了一次轉(zhuǎn)化同時完成雄性不育基因敲除與保持系創(chuàng)制，大幅簡化了操作流程（圖1）。
該系統(tǒng)還創(chuàng)新性地采用甜菜紅素報告系統(tǒng)（RUBY）替代傳統(tǒng)熒光標(biāo)記。通過CaMV35S增強子融合糊粉層特異表達啟動子p35SEN-LTP2驅(qū)動RUBY表達，使轉(zhuǎn)基因種子與植株（葉耳、葉脈）呈現(xiàn)穩(wěn)定紅色，可借助肉眼或普通色選機進行高效分選，實現(xiàn)了種子與植株階段的“雙階段”可視化鑒別（圖2和圖3）。
ASPT的應(yīng)用流程清晰高效：
首先，通過遺傳轉(zhuǎn)化獲得攜帶RUBY紅色標(biāo)記的保持系（圖1A）
隨后保持系自交時，其花粉致死元件可有效阻斷轉(zhuǎn)基因花粉傳遞，使后代種子按約1:1比例分離為保持系與不育系，利用顏色差異即可在種子與植株階段實現(xiàn)雙重篩選，且RUBY在植株中的表達不影響保持系正常生長（圖1B、C）；
最后，獲得的不育系既可作為母本與父本雜交生產(chǎn)商品種子，也可與紅色保持系配套種植，實現(xiàn)不育系的規(guī)模化擴繁（圖1D）。
圖1 ASPT技術(shù)的工作流程
在實際驗證中，ASPT系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。本研究將該系統(tǒng)成功導(dǎo)入21個遺傳背景各異的玉米優(yōu)良自交系，育性基因的編輯效率達100%，且RUBY標(biāo)記在不同自交系及多世代遺傳中表達穩(wěn)定。
在種子分選環(huán)節(jié)，使用色選機處理紅、黃各半的混合群體，分選準確率達99.81%，每小時可處理20萬粒種子。進一步將機器挑選出的不育系種子種植田間，雜株率僅為0.05%，并可憑借葉耳與葉脈的紅色標(biāo)記在散粉前實現(xiàn)對雜株的精準識別與完全剔除，顯著提升了制種純度和操作便利性。
圖2 RUBY標(biāo)記在玉米中的表現(xiàn)
此外，本研究將ASPT系統(tǒng)成功拓展至水稻體系。通過靶向編輯育性基因OsMs45，創(chuàng)制出攜帶穩(wěn)定紅色RUBY標(biāo)記的保持系。在種子階段，去除穎殼后RUBY顏色清晰可辨，支持自動化色選，準確率達99.92%。
該標(biāo)記在胚芽與幼苗期持續(xù)表達，實現(xiàn)了從種子到苗期的雙階段肉眼鑒別。結(jié)合水稻“先育秧、后移栽”的種植特點，育種者可在插秧前于苗床進行顏色篩查，提早剔除雜株，顯著降低田間混雜風(fēng)險，提升制種純度。該技術(shù)在水稻體系中的成功實現(xiàn)，展現(xiàn)了ASPT系統(tǒng)的跨作物應(yīng)用潛力。
圖3 RUBY標(biāo)記在水稻中的表現(xiàn)
03
研究結(jié)論
本研究開發(fā)的ASPT系統(tǒng)，通過“一體化載體”設(shè)計與“雙階段可視化”篩選策略，成功實現(xiàn)了對雄性不育系創(chuàng)制與繁殖技術(shù)的系統(tǒng)性升級。
該系統(tǒng)不僅大幅提升了操作效率與種子純度，更憑借其直觀、穩(wěn)定的表型標(biāo)記，顯著降低了技術(shù)應(yīng)用門檻，為作物雜交制種提供了一套高效、易推廣的技術(shù)體系。
該系統(tǒng)的設(shè)計理念與跨作物驗證的成功，為其向小麥、谷子等其他重要作物拓展應(yīng)用提供了清晰路徑。ASPT系統(tǒng)有望成為推動雜種優(yōu)勢高效利用的關(guān)鍵技術(shù)平臺，為我國乃至全球的作物種子生產(chǎn)提供持續(xù)動力。
04
研究團隊
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)鐘裕教授、陳紹江教授和劉晨旭教授為論文共同通訊作者，博士生劉晉初為第一作者。作物功能基因組與分子育種研究中心石云鷺博士、張帥松博士、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)趙海銘教授等參與了該項研究。
該研究得到了以下資助：
國家自然科學(xué)基金
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系
中國高校科學(xué)基金
北京市科技新星計劃
紅河州科技人才計劃和呼和浩特市科技創(chuàng)新領(lǐng)域人才項目等資助。
來源：MPlant植物科學(xué)
https://doi.org/10.1016/j.xplc.2026.101693
