遗传发育所报道“二合一”快速育种新策略

2月16日，中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究组在Plant Biotechnology Journal上，在线发表了题为A two-in-one breeding strategy boosts rapid utilization of wild species and elite cultivars的论文。该研究报道了“二合一”快速育种新策略，将全新的从头驯化育种方法和经典的杂交育种技术取长补短、优势互补，在番茄中实现了耐逆性状的快速导入和多样化种植模式的“一键”创制，为高效、快速利用优异野生资源和栽培种质，培育环境适应型作物和种植模式多样化作物提供了新思路。

全球气候变化导致极端天气频发，威胁现代农业发展和国家粮食安全。经过长期的人工选育，大部分作物实现了高产优质性状的聚合，但遗传多样性降低，复杂性状育种遭遇遗传瓶颈，难以适应未来气候变化和频发的极端天气。基因编辑技术的发展使快速、精准育种成为可能，但快速创制由多个数量性状位点决定的复杂农艺性状仍极具挑战，如环境适应与耐受性状。尤其在基因“敲入”或“敲高”等方面缺乏高效的植物基因编辑工具，使许多复杂性状很难通过基因编辑创制。野生植物经历了长期的自然选择和环境适应性演化，具有天然的环境适应和耐逆性状；而现代栽培种经过长期人工选育，拥有优异的产量和品质性状，两者的“珠联璧合”是未来作物的显著特征。传统育种可以通过杂交将野生种的耐逆性状渗入到栽培种中，然而，由于野生种的生殖障碍、巨大的生长习性差异以及栽培种人工去雄的劳动力和时间成本等多重因素，这种基因渗入的进程耗时费力。

许操研究组将从头驯化育种新方法和杂交育种经典技术取长补短、优势互补，提出了“二合一”快速育种新策略。该策略通过基因编辑技术在番茄栽培种中快速创制雄性不育系，减少杂交所需的人工成本；对耐逆性状优异的野生种进行从头驯化，减少性状导入的时间成本，实现了野生种和栽培种优异性状整合的“双减”和种质资源的高效利用，加速了耐逆育种进程。

研究选择经典栽培番茄品种Ailsa Craig（AC）作为亲本材料，利用CRISPR/Cas9敲除番茄小孢子时期特异表达的异胡豆苷合成酶编码基因Sl-LAP3，创制了雄性不育材料，并证实除育性外该材料的生长发育和产量品质等农艺性状均不受影响。为了获得优异耐逆性状，研究选择了起源于秘鲁海滨重度盐碱地的野生醋栗番茄Solanum pimpinellifolium(S.pimp)作为供体，利用多靶点基因组编辑系统同时靶向实验室早期鉴定的番茄开花和株型从头驯化基因模块——SELF-PRUNING 5G(SP5G)和SELF-PRUNING(SP)基因，快速创制了对光周期不敏感，且兼具果实同步成熟和紧凑株型的从头驯化株系，克服了野生番茄生长习性的差异，并保持了其耐受重度盐碱和高抗病的优异性状。将从头驯化的S.pimp株系与AC雄性不育系杂交，F1代植株与亲本相比呈现中间表型。在F2分离群体中获得了兼具母本产量和品质性状、父本耐重度盐碱和高抗病性状的植株。同时，F2分离群体还可以分离获得除了兼具上述性状以外分别含有sp,sp5g,sp sp5g三种突变组合的株系，它们呈现不同株型，可分别适宜露地栽培、温室栽培和植物工厂栽培等多种种植模式。该研究通过整合从头驯化和雄性不育系快速创制，实现了优异野生种和栽培种资源挖掘利用和种质创新中的人力和时间成本的“双减”，而驯化基因模块的多样化分离实现了种植方式的“多增”。

“二合一”育种策略为番茄耐逆种质创新提供了新策略，并为杂种优势明显的主要粮食和经济作物的快速育种提供了新思路。随着乡村振兴、精准扶贫的稳步推进以及人民生活水平提高，具有地方特色的小宗作物育种愈加受到重视，“二合一”育种策略为小宗作物育种提供了新方法。

(来源：遗传与发育生物学研究所)